JP7283707B2 - Direct formation of hexagonal boron nitride on silicon-based dielectrics - Google Patents

Direct formation of hexagonal boron nitride on silicon-based dielectrics Download PDF

Info

Publication number
JP7283707B2
JP7283707B2 JP2022066022A JP2022066022A JP7283707B2 JP 7283707 B2 JP7283707 B2 JP 7283707B2 JP 2022066022 A JP2022066022 A JP 2022066022A JP 2022066022 A JP2022066022 A JP 2022066022A JP 7283707 B2 JP7283707 B2 JP 7283707B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
graphene
layer
silicon
single crystal
semiconductor wafer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022066022A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022121422A (en
Inventor
ビカス・ベリー
サンジャイ・ベフラ
フォン・グエン
マイケル・アール・シークリスト
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GlobalWafers Co Ltd
University of Illinois
Original Assignee
GlobalWafers Co Ltd
University of Illinois
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GlobalWafers Co Ltd, University of Illinois filed Critical GlobalWafers Co Ltd
Publication of JP2022121422A publication Critical patent/JP2022121422A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7283707B2 publication Critical patent/JP7283707B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/26Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, elements provided for in two or more of the groups H01L29/16, H01L29/18, H01L29/20, H01L29/22, H01L29/24, e.g. alloys
    • H01L29/267Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, elements provided for in two or more of the groups H01L29/16, H01L29/18, H01L29/20, H01L29/22, H01L29/24, e.g. alloys in different semiconductor regions, e.g. heterojunctions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02107Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02118Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer carbon based polymeric organic or inorganic material, e.g. polyimides, poly cyclobutene or PVC
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02107Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02205Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates the layer being characterised by the precursor material for deposition
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02107Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02296Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer
    • H01L21/02318Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/0237Materials
    • H01L21/02373Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02381Silicon, silicon germanium, germanium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439Materials
    • H01L21/02455Group 13/15 materials
    • H01L21/02458Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439Materials
    • H01L21/02488Insulating materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494Structure
    • H01L21/02496Layer structure
    • H01L21/02502Layer structure consisting of two layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02516Crystal orientation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02524Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02527Carbon, e.g. diamond-like carbon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02538Group 13/15 materials
    • H01L21/0254Nitrides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02587Structure
    • H01L21/0259Microstructure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02587Structure
    • H01L21/0259Microstructure
    • H01L21/02598Microstructure monocrystalline
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02609Crystal orientation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02614Transformation of metal, e.g. oxidation, nitridation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02617Deposition types
    • H01L21/0262Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02617Deposition types
    • H01L21/02631Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656Special treatments
    • H01L21/02658Pretreatments
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/283Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/283Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current
    • H01L21/285Deposition of conductive or insulating materials for electrodes conducting electric current from a gas or vapour, e.g. condensation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/45Ohmic electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/66522Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET with an active layer made of a group 13/15 material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/66742Thin film unipolar transistors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/786Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
    • H01L29/78681Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film having a semiconductor body comprising AIIIBV or AIIBVI or AIVBVI semiconductor materials, or Se or Te
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/786Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
    • H01L29/78696Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film characterised by the structure of the channel, e.g. multichannel, transverse or longitudinal shape, length or width, doping structure, or the overlap or alignment between the channel and the gate, the source or the drain, or the contacting structure of the channel
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01Chemical elements
    • H01L2924/01005Boron [B]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)

Description

関連出願との相互参照Cross-reference to related applications

本出願は、2016年5月12日に出願された米国仮特許出願第62/335,149号の優先権を主張するものであり、その全体の開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。 This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/335,149, filed May 12, 2016, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety. incorporated.

本発明の分野は、一般に、半導体基板上にグラフェンおよび窒化ホウ素のヘテロ構造を製造するための方法に関する。 The field of the invention relates generally to methods for fabricating graphene and boron nitride heterostructures on semiconductor substrates.

単一原子厚のグラフェンは、炭素の最も新しい同素体であり、過去10年間で、その優れた光学的、機械的、および電気的特性のために、科学界で最も研究された材料となっている。グラフェンは、ハニカム格子に配列されたsp混成(二重結合)炭素原子の1原子厚の平面シートを形成する炭素原子の六角形配列である。グラフェンは、有望な電子材料である。グラフェンは、その優れた電気的、熱的、機械的、光学的特性のために半導体産業に大きな影響を及ぼす可能性があり、同時に既存の半導体加工技術との互換性も提供する。グラフェンは、単一分子検出、超高速電界効果トランジスタ(FET)、透過型電子顕微鏡(TEM)用水素可視化テンプレート、および調整可能なスピントロニクスデバイスを含む、驚くべき用途を示している。さらに、グラフェンは、高い熱伝導率(25×シリコン)、高い機械的強度(最も強いナノ材料)、高い光透過性(単層グラフェンの場合97.7%)、キャリア制御されたバンド間/光学遷移、およびフレキシブル構造を示す。電子的には、グラフェンは、ブリルアンゾーンの2点(KおよびK’)で価電子帯に接する伝導帯のためにバンドギャップがゼロの半金属である。グラフェンのsp炭素原子からのπ電子の高密度および開結晶構造におけるキャリア閉じ込めは、今までに測定された最高の移動度をそれに付与する。 Single-atom-thick graphene is the newest allotrope of carbon and over the past decade has become the most studied material in the scientific community due to its excellent optical, mechanical, and electrical properties. . Graphene is a hexagonal array of carbon atoms forming one-atom-thick planar sheets of sp2 - hybridized (double-bonded) carbon atoms arranged in a honeycomb lattice. Graphene is a promising electronic material. Graphene has the potential to have a major impact on the semiconductor industry due to its excellent electrical, thermal, mechanical and optical properties, while also offering compatibility with existing semiconductor processing technologies. Graphene has shown surprising applications, including single-molecule detection, ultrafast field effect transistors (FETs), hydrogen visualization templates for transmission electron microscopy (TEM), and tunable spintronic devices. In addition, graphene has high thermal conductivity (25× silicon), high mechanical strength (strongest nanomaterial), high optical transparency (97.7% for single-layer graphene), carrier-controlled interband/optical Transitions, and flexible structures are shown. Electronically, graphene is a semimetal with a zero bandgap due to the conduction band touching the valence band at two points (K and K') in the Brillouin zone. The high density of π-electrons from the sp2 carbon atoms of graphene and carrier confinement in the open crystal structure endow it with the highest mobility ever measured.

界面グラフェンにおける電荷キャリア移動度を高めるためには、原子的に平滑で、化学的に不活性で、かつ電気的に絶縁性の基板プラットフォームが重要である。さらに、典型的なシリコン系酸化物および窒化物基板は、粗く、ドーパントリッチであり、電子および熱輸送特性が悪い。例えば、ディーン,C.R.らのBoron nitride substrates for high-quality graphene electronics.Nat Nano 5,722-726,(2010);ならびにガイム,A.K.およびグリゴリエワ,I.V.のVan der Waals heterostructures.Nature 499,419-425,(2013)を参照されたい。対照的に、顕著な物理的特性および化学的安定性を有する広バンドギャップの六方晶窒化ホウ素(h-BN)は、最近、グラフェンおよび他の二次元ナノ材料(2DN)エレクトロニクス、深紫外放射、最も薄いトンネリング接合、および化学的耐性の高い膜(保護コーティング用)のための理想的なゲート誘電体として認定されている。例えば、クボタ,Y.,ワタナベ,K.,ツダ,O.およびタニグチ,T.のDeep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure.Science 317,932-934,(2007);ブリネル,L.らのElectron tunneling through ultrathin boron nitride crystalline barriers.Nano letters 12,1707-1710(2012);リ,L.H.,セルヴェンカ,J.,ワタナベ,K.,タニグチ,T.およびチェン,Y.のStrong oxidation resistance of atomically thin boron nitride nanosheets.ACS nano 8,1457-1462(2014)を参照されたい。h-BNの各層内では、ホウ素原子および窒素原子は、強い共有結合によって結合されているが、層は、AA’スタックのリップ-リップ相互作用によって一緒に保持されている。例えば、ブラーゼ,X.,De ヴィータ,A.,シャルリエ,J.C.およびカー,R.のFrustration Effects and Microscopic Growth Mechanisms for BN Nanotubes.Physical Review Letters 80,1666-1669(1998);およびゴルベリ,D.らのBoron Nitride Nanotubes and Nanosheets.ACS Nano 4,2979-2993,(2010)を参照されたい。 Atomically smooth, chemically inert, and electrically insulating substrate platforms are important for enhancing charge carrier mobility in interfacial graphene. In addition, typical silicon-based oxide and nitride substrates are rough, dopant-rich, and have poor electron and heat transport properties. For example, Dean, C. R. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics, et al. Nat Nano 5, 722-726, (2010); K. and Grigorieva, I.M. V. Van der Waals heterostructures. See Nature 499, 419-425, (2013). In contrast, wide-bandgap hexagonal boron nitride (h-BN), which has remarkable physical properties and chemical stability, has recently been used for graphene and other two-dimensional nanomaterials (2DN) electronics, deep ultraviolet radiation, Qualified as the ideal gate dielectric for the thinnest tunneling junctions and for chemically resistant films (for protective coatings). For example, Kubota, Y.; , Watanabe, K.; , Tsuda, O. and Taniguchi, T.; Deep Ultraviolet Light-Emitting Hexagonal Boron Nitride Synthesized at Atmospheric Pressure. Science 317, 932-934, (2007); Electron tunneling through ultrathin boron nitride crystalline barriers, et al. Nano letters 12, 1707-1710 (2012); H. , Cervenka, J.; , Watanabe, K.; , Taniguchi, T.; and Chen, Y.; Strong oxidation resistance of atomically thin boron nitride nanosheets. See ACS nano 8, 1457-1462 (2014). Within each layer of h-BN, the boron and nitrogen atoms are bound by strong covalent bonds, while the layers are held together by lip-lip interactions of the AA' stack. See, for example, Blaze, X.; , De Vita, A. , Charlier, J.; C. and Carr, R.J. in Frustration Effects and Microscopic Growth Mechanisms for BN Nanotubes. Physical Review Letters 80, 1666-1669 (1998); Boron Nitride Nanotubes and Nanosheets, et al. See ACS Nano 4, 2979-2993, (2010).

マイクロメカニカル劈開、超音波処理による化学的剥離、原子層堆積、および化学蒸着(CVD)を含む、h-BNを合成するためのいくつかの技術が用いられてきた。様々なBN前駆体の分解反応によるCVDプロセスは、触媒金属表面上に大面積のh-BNドメインを製造する。例えば、リ,C.らのFrictional Characteristics of Atomically Thin Sheets.Science 328,76-80,(2010);ワーナー,J.H.,ルンメリ,M.H.,バッハマティク,A.およびブフナー,B.のAtomic Resolution Imaging and Topography of Boron Nitride Sheets Produced by Chemical Exfoliation.ACS Nano 4,1299-1304,(2010);デベルマ,R,ベフラ,S.,グエン,P.,スリープラサド,T.S.およびベリー,V.のElectrical Transport and Network Percolation in Graphene and Boron Nitride Mixed-Platelet Structures.ACS Applied Materials & Interfaces,(2016);オランダ,J.,オットソン,L.M.,ヘスラー,P.,カールソン,J.O.およびラーソン,K.M.EのLaser-Assisted Atomic Layer Deposition of Boron Nitride Thin Films.Chemical Vapor Deposition 11,330-337,(2005);ファーガソン,J.D.,ワイマー,A.W.およびジョージ,S.MのAtomic layer deposition of boron nitride using sequential exposures of BC13 and NH3.Thin Solid Films 413,16-25,(2002);ソング,L.らのLarge Scale Growth and Characterization of Atomic Hexagonal Boron Nitride Layers.Nano Letters 10,3209-3215,(2010);キム,K.K.らのSynthesis of monolayer hexagonal boron nitride on Cu foil using chemical vapor deposition.Nano Lett 12,161-166,(2012);ならびにイマック,A.らのToward the Controlled Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Films.ACS Nano 6,6378-6385,(2012)を参照されたい。 Several techniques have been used to synthesize h-BN, including micromechanical cleaving, chemical exfoliation by sonication, atomic layer deposition, and chemical vapor deposition (CVD). A CVD process by decomposition reactions of various BN precursors produces large area h-BN domains on the catalytic metal surface. For example, Li, C.; Frictional Characters of Atomically Thin Sheets. Science 328, 76-80, (2010); Warner, J.; H. , Rummeli, M.; H. , Bahamatik, A.; and Buchner, B.; Atomic Resolution Imaging and Topography of Boron Nitride Sheets Produced by Chemical Exfoliation. ACS Nano 4, 1299-1304, (2010); , Nguyen, P. , Sri Prasad, T.; S. and Berry, V.; in Electrical Transport and Network Percolation in Graphene and Boron Nitride Mixed-Platelet Structures. ACS Applied Materials & Interfaces, (2016); , Ottson, L.; M. , Hässler, P.; , Carlson, J.; O. and Larson, K.; M. Laser-Assisted Atomic Layer Deposition of Boron Nitride Thin Films. Chemical Vapor Deposition 11, 330-337, (2005); Ferguson, J.; D. , Weimer, A.; W. and George, S.; M's atomic layer deposition of boron nitride using sequential exposures of BC13 and NH3. Thin Solid Films 413, 16-25, (2002); Large Scale Growth and Characterization of Atomic Hexagonal Boron Nitride Layers. Nano Letters 10, 3209-3215, (2010); Kim, K.; K. Synthesis of monolayer hexagonal boron nitride on Cu foil using chemical vapor deposition. Nano Lett 12, 161-166, (2012); Toward the Controlled Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Films. See ACS Nano 6, 6378-6385, (2012).

さらに、このプロセスは、それぞれ電気化学研磨または化学機械研磨、および高温アニールなどの前処理工程を必要とする。その後、金属表面から他の誘電体基板へh-BNを再配置することは、h-BN表面上に意図しない表面の波形をもたらし、ポリマー不純物が吸着する可能性がある追加の湿式/乾式転写プロセスが必要となる。したがって、誘電体表面上のh-BN膜の直接的で、転写フリーで、かつスケーラブルな合成は、2Dエレクトロニクスおよび業界規模の用途にとって重要である。テイ,R.Y.らのDirect growth of nanocrystalline hexagonal boron nitride films on dielectric substrates.Applied Physics Letters 106,101901,(2015);およびワン,M.らのA Platform for Large-Scale Graphene Electronics-CVD Growth of Single-Layer Graphene on CVD-Grown Hexagonal Boron Nitride.Advanced Materials 25,2746-2752,(2013)を参照されたい。 In addition, this process requires pretreatment steps such as electrochemical or chemical mechanical polishing, and high temperature annealing, respectively. Subsequent repositioning of h-BN from a metal surface to another dielectric substrate results in unintended surface waviness on the h-BN surface and additional wet/dry transfer where polymer impurities can be adsorbed. process is required. Therefore, direct, transfer-free, and scalable synthesis of h-BN films on dielectric surfaces is important for 2D electronics and industrial-scale applications. Tay, R. Y. Direct growth of nanocrystalline hexagonal boron nitride films on dielectric substrates, et al. Applied Physics Letters 106, 101901, (2015); and Wang, M.; A Platform for Large-Scale Graphene Electronics-CVD Growth of Single-Layer Graphene on CVD-Grown Hexagonal Boron Nitride. See Advanced Materials 25, 2746-2752, (2013).

熱的およびプラズマ強化CVDによって、SiO/Si表面上の非晶質、ナノ結晶、および多結晶のh-BN膜の製造に関する限られた研究が実施されている。リ,Q.,ジエ,Y.,ミンギュ,L.,フェイ,L.およびゼドン,B.のCatalyst-free growth of mono- and few-atomic-layer boron nitride sheets by chemical vapor deposition.Nanotechnology 22,215602(2011);ヒラヤマ,M.およびショウノ,K.のCVD-BN for Boron Diffusion in Si and Its Application to Si Devices.Journal of The Electrochemical Society 122,1671-1676,doi:10.1149/1.2134107(1975);ならびにランド,M.J.およびロバート,.F.のPreparation and Properties of Thin Film Boron Nitride.Journal of The Electrochemical Society 115,423-429,doi:10.1149/1.2411238(1968)を参照されたい。 Limited research has been conducted on the fabrication of amorphous, nanocrystalline, and polycrystalline h-BN films on SiO 2 /Si surfaces by thermal and plasma-enhanced CVD. Li, Q. , Jie, Y.; , Mingyu, L. , Fay, L. and Zedon, B.; Catalyst-free growth of mono- and few-atomic-layer boron nitride sheets by chemical vapor deposition. Nanotechnology 22, 215602 (2011); and Shouno, K.; CVD-BN for Boron Diffusion in Si and Its Applications to Si Devices. Journal of The Electrochemical Society 122, 1671-1676, doi: 10.1149/1.2134107 (1975); J. and Robert,. F. Preparation and Properties of Thin Film Boron Nitride. See Journal of The Electrochemical Society 115, 423-429, doi: 10.1149/1.2411238 (1968).

要約すると、本発明は、窒化シリコンを含む層の前面と界面接触する六方晶窒化ホウ素を含む層を直接堆積させるのに十分な温度で、窒化シリコンを含む層の前面をホウ素含有ガスおよび窒素含有ガスと接触させる工程を含む、多層構造を形成する方法に関する。 In summary, the present invention provides a boron-containing gas and a nitrogen-containing gas on the front surface of a silicon nitride-containing layer at a temperature sufficient to directly deposit a layer containing hexagonal boron nitride in interfacial contact with the front surface of the silicon nitride-containing layer. It relates to a method of forming a multilayer structure comprising contacting with a gas.

本発明は、シリコン基板の前面と界面接触する六方晶窒化ホウ素を含む層を直接堆積させるのに十分な温度で、シリコン基板の前面をホウ素含有ガスおよび窒素含有ガスと接触させる工程を含む、多層構造を形成する方法に関する。 The present invention is a multilayer process comprising contacting a front surface of a silicon substrate with a boron-containing gas and a nitrogen-containing gas at a temperature sufficient to directly deposit a layer comprising hexagonal boron nitride in interfacial contact with the front surface of the silicon substrate. It relates to a method of forming a structure.

本発明はさらに、2つの主にほぼ平行な表面であって、その一方が単結晶半導体ウエハの前面であり、他方が単結晶半導体ウエハの裏面である、2つの主にほぼ平行な表面、単結晶半導体ウエハの前面と裏面とを接合する周縁部、単結晶半導体ウエハの前面と裏面との間の中心面、および単結晶半導体ウエハの前面と裏面との間のバルク領域を含む、単結晶半導体ウエハ;単結晶半導体ウエハの前面と界面接触する窒化シリコンを含む層;窒化シリコンを含む層と界面接触する六方晶窒化ホウ素を含む層;および六方晶窒化ホウ素を含む層と界面接触するグラフェンを含む層を含む多層構造に関する。 The present invention further provides two primarily substantially parallel surfaces, one of which is the front surface of a single crystal semiconductor wafer and the other of which is the back surface of a single crystal semiconductor wafer. A monocrystalline semiconductor comprising a peripheral edge joining the front and back surfaces of a crystalline semiconductor wafer, a central plane between the front and back surfaces of the monocrystalline semiconductor wafer, and a bulk region between the front and back surfaces of the monocrystalline semiconductor wafer A wafer; a layer comprising silicon nitride in interfacial contact with the front surface of a monocrystalline semiconductor wafer; a layer comprising hexagonal boron nitride in interfacial contact with the layer comprising silicon nitride; and a graphene comprising in interfacial contact with the layer comprising hexagonal boron nitride. It relates to a multilayer structure comprising layers.

本発明のいくつかの実施形態によるプロセスフローを示す。1 illustrates a process flow according to some embodiments of the invention; 本発明のいくつかの実施形態によるプロセスフローを示す。1 illustrates a process flow according to some embodiments of the invention; 本発明のいくつかの実施形態によるプロセスフローを示す。1 illustrates a process flow according to some embodiments of the invention; 本発明のいくつかの実施形態によるプロセスフローを示す。1 illustrates a process flow according to some embodiments of the invention; 本発明のいくつかの実施形態によるプロセスフローを示す。1 illustrates a process flow according to some embodiments of the invention;

模式的なフォノンモード振動(挿入図)を伴うSi/Si表面上のh-BN膜に対応するラマンスペクトルである。Raman spectra corresponding to h-BN films on Si 3 N 4 /Si surfaces with schematic phonon mode vibrations (inset). Si/Si上のh-BNの光学顕微鏡画像である。Optical microscope image of h-BN on Si 3 N 4 /Si. Si/Si表面上のh-BNのラマン空間マッピングである。Raman spatial mapping of h-BN on Si 3 N 4 /Si surface. B1s(図2D)およびN1s(図2E)のXPSスペクトルである。XPS spectra of B1s (Fig. 2D) and N1s (Fig. 2E). B1s(図2D)およびN1s(図2E)のXPSスペクトルである。XPS spectra of B1s (Fig. 2D) and N1s (Fig. 2E). 青色の実線で表された分布にガウスフィットによってSi/Si(正方形)およびh-BN/Si/Si(菱形)についてAFMによって測定した高さ分布の表面粗さヒストグラムである。Surface roughness histogram of height distribution measured by AFM for Si 3 N 4 /Si (squares) and h-BN/Si 3 N 4 /Si (diamonds) by a Gaussian fit to the distribution represented by the solid blue line. . 挿入図が1×5cm領域のh-BN/Si/Siのカメラ画像を示す、Si/Si表面上のh-BN成長プロセスの概略図である。1 is a schematic diagram of the h-BN growth process on a Si 3 N 4 /Si surface, with the inset showing a camera image of a 1×5 cm 2 area of h-BN/Si 3 N 4 /Si. FIG. Si系酸化物および窒化物基板上のCVD成長時間によるh-BN膜厚の変化を示す。Figure 2 shows changes in h-BN film thickness with CVD growth time on Si-based oxide and nitride substrates. Si/SiおよびSiO/Si表面上の(BN)活性種の吸着を示す原子的MDシミュレーションである。Atomic MD simulations showing adsorption of ( BN ) xHy active species on Si3N4 /Si and SiO2 /Si surfaces. 露出したSiおよびOプラズマ処理されたSi上のh-BN形成のラマンスペクトルである。Raman spectra of h-BN formation on bare Si and O 2 plasma treated Si. 異なる温度におけるSi系酸化物および窒化物基板上のh-BN形成のラマンスペクトルである。Raman spectra of h-BN formation on Si-based oxide and nitride substrates at different temperatures. 空間マッピングを用いたグラフェン/h-BNおよびグラフェン/Siヘテロ構造のラマンGバンドスペクトルである。Raman G-band spectra of graphene/h-BN and graphene/Si 3 N 4 heterostructures with spatial mapping. 空間マッピングを用いたグラフェン/h-BNおよびグラフェン/Siヘテロ構造のラマン2Dバンドスペクトルである。Raman 2D band spectra of graphene/h-BN and graphene/Si 3 N 4 heterostructures with spatial mapping. 電気輸送特性を示す。挿入図がバックゲート電界効果トランジスタの光学顕微鏡画像(スケールバーは20μm)を示す、グラフェン/h-BNヘテロ構造デバイスの概略図である。It exhibits electrotransport properties. Schematic of a graphene/h-BN heterostructure device, inset showing an optical microscope image (scale bar is 20 μm) of a back-gate field effect transistor. 電気輸送特性を示す。15KおよびVDS=5mVにおけるグラフェン/h-BNおよびグラフェン/Siヘテロ構造のコンダクタンス対キャリア濃度特性のグラフである。上部の挿入図は、15Kで両方のデバイスのキャリア移動度値を示す。It exhibits electrotransport properties. FIG. 5 is a graph of conductance versus carrier concentration characteristics of graphene/h-BN and graphene/Si 3 N 4 heterostructures at 15 K and VDS=5 mV. The top inset shows the carrier mobility values for both devices at 15K. 電気輸送特性を示す。グラフェン/h-BNおよびグラフェン/Siヘテロ構造のキャリア濃度によるコンダクタンスの変化(対数-対数スケール)を示す。It exhibits electrotransport properties. FIG. 4 shows the change in conductance (log-log scale) with carrier concentration for graphene/h-BN and graphene/Si 3 N 4 heterostructures. 電気輸送特性を示す。15Kおよび300Kにおけるグラフェン/h-BNおよびグラフェン/Siヘテロ構造の印加バイアスによる抵抗率の変化を示す。It exhibits electrotransport properties. Figure 2 shows resistivity variation with applied bias for graphene/h-BN and graphene/Si 3 N 4 heterostructures at 15K and 300K. 電気輸送特性を示す。15Kにおけるグラフェン/h-BNおよびグラフェン/Siヘテロ構造のキャリア濃度による電界効果移動度の変化を示す。It exhibits electrotransport properties. Figure 2 shows the variation of field-effect mobility with carrier concentration for graphene/h-BN and graphene/Si 3 N 4 heterostructures at 15K.

本発明のいくつかの実施形態によれば、シリコン系誘電体表面上に堆積された六方晶窒化ホウ素の品質を高め、グラフェン/h-BNヘテロ構造の電気輸送特性を促進する六方晶窒化ホウ素の成長メカニズムが実証される。 According to some embodiments of the present invention, the hexagonal boron nitride deposited on the silicon-based dielectric surface is enhanced to enhance the electrical transport properties of the graphene/h-BN heterostructure. A growth mechanism is demonstrated.

いくつかの実施形態では、N末端((100)Si/Si)表面との(BN)-ラジカルの相互作用を利用することにより、本発明は、シリコン表面上の窒化シリコン(Si/Si)上の六方晶系窒化ホウ素(h-BN)の窒化物支援ラジカル付着および大面積で連続薄膜の結晶化の方法に関する。さらに、ここで開発されたプロセスは、半導体ウエハ基板上のh-BNの堆積のための金属触媒および関連する前処理工程、ならびに合成後の転写工程の必要性を排除し、いくつかのエレクトロニクス、フォトニック、コンポジット、およびメカニカル用途で潜在的に使用可能な手段をさらに提供する。さらに、高移動度エレクトロニクスのための単層グラフェンによるファンデルワールスヘテロ構造を実現するためのh-BN変性Si/Si基板を直接適用した。いくつかの実施形態では、全CVD成長プロセスによって製作されたこれらの密接に界面接合されたファンデルワールス結合ヘテロ構造(グラフェン/h-BN)は、Si/Si表面と比較してh-BNの粗さを3.4倍減少させる恩恵を受ける。その後、これは、グラフェン系ヘテロ構造のための真性電荷キャリア移動度の向上のために、表面粗さの散乱および荷電した不純物の散乱を減少させる。したがって、h-BN/Si/Si上のグラフェンの1200cm/Vsの真性電荷キャリア移動度の向上は、Si/Si上のグラフェンの400cm/Vsとは対照的に見出される。さらに、ヘテロ構造は、清浄であり、高速ナノエレクトロニクスの重要な必要条件である表面波形(例えば、破れ、ひだ、およびしわ)ならびに残留吸着物を欠いている。シリコン(Si)系酸化物および窒化物表面上の直接的なh-BN形成のメカニズムは、原子分子動力学(MD)シミュレーションによって支持される制御された実験によって明確に記述されている。
I.層堆積のための基板
In some embodiments, by exploiting the interaction of (BN) x H y -radicals with N-terminated ((100)Si 3 N 4 /Si) surfaces, the present invention provides silicon nitride on silicon surfaces. It relates to a method for nitride assisted radical deposition of hexagonal boron nitride (h-BN) on (Si 3 N 4 /Si) and crystallization of large area continuous thin films. In addition, the process developed here eliminates the need for metal catalysts and associated pretreatment steps for the deposition of h-BN on semiconductor wafer substrates, as well as post-synthesis transfer steps, and eliminates some electronics, It further provides tools that can potentially be used in photonic, composite, and mechanical applications. Furthermore, we directly applied the h-BN modified Si 3 N 4 /Si substrates to realize van der Waals heterostructures with monolayer graphene for high mobility electronics. In some embodiments, these tightly interfacially bonded van der Waals bonded heterostructures ( graphene / h -BN) fabricated by all CVD growth processes exhibit h - Benefit from a 3.4-fold reduction in BN roughness. This in turn reduces surface roughness scattering and charged impurity scattering for enhanced intrinsic charge carrier mobility for graphene-based heterostructures. Thus, an intrinsic charge carrier mobility enhancement of 1200 cm 2 /Vs for graphene on h-BN/Si 3 N 4 /Si is found as opposed to 400 cm 2 /Vs for graphene on Si 3 N 4 /Si. be Moreover, the heterostructures are clean and devoid of surface corrugations (eg, tears, creases, and wrinkles) and residual adsorbates, which are key requirements for high-speed nanoelectronics. The mechanism of direct h-BN formation on silicon (Si)-based oxide and nitride surfaces has been clearly described by controlled experiments supported by atomic molecular dynamics (MD) simulations.
I. Substrate for layer deposition

本発明の方法によれば、半導体基板、すなわち半導体ウエハ上に堆積が生じる。ここで図1Aを参照すると、例示的な非限定的な単結晶半導体ウエハ100が示されている。一般に、単結晶半導体ウエハ100は、2つの主にほぼ平行な表面を含む。一方の平行面は、単結晶半導体ウエハ100の前面102であり、他方の平行面は、単結晶半導体ウエハ100の裏面104である。単結晶半導体ウエハ100は、前面102および裏面104を接合する周縁部106を含む。単結晶半導体ウエハ100は、2つの主にほぼ平行な表面102、104に垂直であり、また、前面102と裏面104との間の中間点によって画定される中心面に垂直な中心軸108を含む。単結晶半導体ウエハ100は、2つの主にほぼ平行な表面102と104との間のバルク領域110を含む。半導体ウエハ、例えば、シリコンウエハは、典型的には、ある程度の全厚変動(TTV)、反り、およびゆがみを有するので、前面102上のすべての点と裏面104上のすべての点との間の中間点は、平面内に正確に入らなくてもよい。しかしながら、実際的な問題として、TTV、反り、およびゆがみは、典型的には極近似に対して非常にわずかなものであるため、中間点は、前面と裏面との間でほぼ等距離の仮想中心面内に入ると言うことができる。本明細書に記載されるあらゆる動作の前に、単結晶半導体ウエハ100の前面102および裏面104は、実質的に同一であってもよい。表面は、便宜上、単に本発明の方法の動作が実施される表面を一般に区別するために、単に「前面」または「裏面」と呼ばれる。 According to the method of the invention, deposition occurs on a semiconductor substrate, ie a semiconductor wafer. Referring now to FIG. 1A, an exemplary, non-limiting single crystal semiconductor wafer 100 is shown. In general, single crystal semiconductor wafer 100 includes two predominantly substantially parallel surfaces. One parallel surface is the front surface 102 of the single crystal semiconductor wafer 100 and the other parallel surface is the back surface 104 of the single crystal semiconductor wafer 100 . Single crystal semiconductor wafer 100 includes a peripheral edge 106 that joins front surface 102 and back surface 104 . Single crystal semiconductor wafer 100 includes a central axis 108 perpendicular to two predominantly substantially parallel surfaces 102 , 104 and perpendicular to the central plane defined by the midpoint between front surface 102 and back surface 104 . . A single crystal semiconductor wafer 100 includes a bulk region 110 between two predominantly substantially parallel surfaces 102 and 104 . Semiconductor wafers, e.g., silicon wafers, typically have some degree of total thickness variation (TTV), warpage, and warpage, so that the The intermediate point does not have to lie exactly in the plane. However, as a practical matter, TTV, warpage, and distortion are typically very slight to the polar approximation, so the midpoint is a virtual It can be said to fall within the center plane. Prior to any operations described herein, the front side 102 and back side 104 of single crystal semiconductor wafer 100 may be substantially identical. For convenience, the surfaces are simply referred to as "front" or "back" to generally distinguish the surface on which the method operations of the present invention are performed.

いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハ100は、シリコン、炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、ヒ化インジウムガリウム、ゲルマニウム、およびそれらの組み合わせのなかから選択される材料を含む。半導体ウエハは、例えば多層構造において、そのような材料の組み合わせを含んでもよい。一般に、半導体ウエハは、少なくとも約20mm、より典型的には約20mm~約500mmの直径を有する。いくつかの実施形態では、直径は、少なくとも約20mm、少なくとも約45mm、少なくとも約90mm、少なくとも約100mm、少なくとも約150mm、少なくとも約200mm、少なくとも約250mm、少なくとも約300mm、少なくとも約350mm、またはさらに少なくとも約450mmである。半導体ウエハは、約100マイクロメートル~約5000マイクロメートル、例えば約100マイクロメートル~約1500マイクロメートル、例えば約250マイクロメートル~約1500マイクロメートル、例えば約300マイクロメートル~約1000マイクロメートル、好適には約500マイクロメートル~約1000マイクロメートルの範囲内の厚さを有してもよい。いくつかの特定の実施形態では、ウエハの厚さは、約725マイクロメートルであってもよい。いくつかの実施形態では、ウエハの厚さは、約775マイクロメートルであってもよい。 In some embodiments, monocrystalline semiconductor wafer 100 is selected from silicon, silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide, indium gallium arsenide, germanium, and combinations thereof. Including materials. A semiconductor wafer may comprise a combination of such materials, for example in a multi-layer structure. Generally, semiconductor wafers have a diameter of at least about 20 mm, more typically from about 20 mm to about 500 mm. In some embodiments, the diameter is at least about 20 mm, at least about 45 mm, at least about 90 mm, at least about 100 mm, at least about 150 mm, at least about 200 mm, at least about 250 mm, at least about 300 mm, at least about 350 mm, or even at least about 450 mm. Semiconductor wafers are about 100 micrometers to about 5000 micrometers, such as about 100 micrometers to about 1500 micrometers, such as about 250 micrometers to about 1500 micrometers, such as about 300 micrometers to about 1000 micrometers, preferably It may have a thickness in the range of about 500 microns to about 1000 microns. In some particular embodiments, the wafer thickness may be about 725 microns. In some embodiments, the wafer thickness may be about 775 microns.

特に好ましい実施形態では、半導体ウエハは、従来のチョクラルスキー結晶成長法に従って成長させた単結晶インゴットからスライスされた単結晶シリコンウエハからスライスされたウエハを含む。そのような方法、ならびに標準的なシリコンスライシング、ラッピング、エッチング、および研磨技術は、例えばF.シムラのSemiconductor Silicon Crystal Technology,Academic Press,1989およびSilicon Chemical Etching(J.Grabmaier編)Springer-Verlag,N.Y.,1982(本明細書に参照として組み込まれる)に記載されている。好ましくは、ウエハは、当業者に既知の標準的な方法によって研磨され、洗浄される。例えば、W.C.O’マラらのHandbook of Semiconductor Silicon Technology,Noyes Publicationsを参照されたい。所望であれば、ウエハは、例えば、標準的なSC1/SC2溶液で洗浄することができる。いくつかの実施形態では、本発明の単結晶シリコンウエハは、従来のチョクラルスキー(「Cz」)結晶成長法に従って成長させた単結晶インゴットからスライスされ、典型的には少なくとも約150mm、少なくとも約200mm、少なくとも約300mm、または少なくとも約450mmの名目上の直径を有する単結晶シリコンウエハである。好ましくは、単結晶シリコンウエハおよび単結晶シリコンドナーウエハの両方は、表面欠陥、例えばスクラッチ、大きな粒子などがない鏡面研磨された前面仕上げを有する。ウエハの厚さは、約100マイクロメートル~約5000マイクロメートル、例えば約100マイクロメートル~約1500マイクロメートル、例えば約250マイクロメートル~約1500マイクロメートル、例えば約300マイクロメートル~約1000マイクロメートル、好適には約500マイクロメートル~約1000マイクロメートルの範囲内で変化してもよい。いくつかの特定の実施形態では、ウエハの厚さは、約725マイクロメートルであってもよい。いくつかの実施形態では、ウエハの厚さは、約775マイクロメートルであってもよい。いくつかの特定の実施形態では、ウエハの厚さは、約725マイクロメートルであってもよい。 In a particularly preferred embodiment, the semiconductor wafers comprise wafers sliced from monocrystalline silicon wafers sliced from monocrystalline ingots grown according to conventional Czochralski crystal growth techniques. Such methods, as well as standard silicon slicing, lapping, etching, and polishing techniques are described, for example, in F. Shimura, Semiconductor Silicon Crystal Technology, Academic Press, 1989 and Silicon Chemical Etching (J. Grabmaier ed.) Springer-Verlag, N.G. Y. , 1982, incorporated herein by reference. Preferably, the wafer is polished and cleaned by standard methods known to those skilled in the art. For example, W. C. See O'Mara et al., Handbook of Semiconductor Silicon Technology, Noyes Publications. If desired, the wafer can be cleaned, for example, with standard SC1/SC2 solutions. In some embodiments, the single crystal silicon wafers of the present invention are sliced from single crystal ingots grown according to conventional Czochralski (“Cz”) crystal growth methods, typically at least about 150 mm, at least about A single crystal silicon wafer having a nominal diameter of 200 mm, at least about 300 mm, or at least about 450 mm. Preferably, both the single crystal silicon wafer and the single crystal silicon donor wafer have a mirror polished front surface finish free of surface defects such as scratches, large particles, and the like. The thickness of the wafer is from about 100 micrometers to about 5000 micrometers, such as from about 100 micrometers to about 1500 micrometers, such as from about 250 micrometers to about 1500 micrometers, such as from about 300 micrometers to about 1000 micrometers, preferably may vary from about 500 microns to about 1000 microns. In some particular embodiments, the wafer thickness may be about 725 microns. In some embodiments, the wafer thickness may be about 775 microns. In some particular embodiments, the wafer thickness may be about 725 microns.

いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハは、チョクラルスキー成長法によって一般に達成される濃度の格子間酸素を含む。いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハは、約4PPMA~約18PPMAの濃度の酸素を含む。いくつかの実施形態では、半導体ウエハは、約10PPMA~約35PPMAの濃度の酸素を含む。いくつかの実施形態では、単結晶半導体シリコンウエハは、約10PPMA以下の濃度の酸素を含む。格子間酸素は、SEMI MF 1188-1105に従って測定されてもよい。 In some embodiments, the single crystal semiconductor wafer includes interstitial oxygen at concentrations commonly achieved by the Czochralski growth method. In some embodiments, the single crystal semiconductor wafer includes oxygen at a concentration of about 4 PPMA to about 18 PPMA. In some embodiments, the semiconductor wafer contains oxygen at a concentration of about 10 PPMA to about 35 PPMA. In some embodiments, the single crystal semiconductor silicon wafer contains oxygen at a concentration of about 10 PPMA or less. Interstitial oxygen may be measured according to SEMI MF 1188-1105.

シリコンウエハの抵抗率は、本発明の方法にとって重要ではない。しかしながら、抵抗率は、最終用途の要件に応じて変化し得る。このことを考慮して、ウエハは、高濃度にドープされてもよく、半絶縁性であってもよく、またはその中間のドーピングプロファイルを有してもよい。単結晶半導体ウエハ100は、チョクラルスキーまたはフロートゾーン法によって得られる任意の抵抗率を有してもよい。したがって、抵抗率は、ミリオーム以下からメガオーム以上に変化し得る。いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハ100は、p型ドーパントまたはn型ドーパントを含む。好適なドーパントは、ホウ素(p型)、ガリウム(p型)、リン(n型)、アンチモン(n型)、およびヒ素(n型)を含む。ドーパント濃度は、ウエハの所望の抵抗率に基づいて選択される。いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハは、p型ドーパントを含む。いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハは、ホウ素などのp型ドーパントを含む単結晶シリコンウエハである。 The resistivity of the silicon wafer is not critical to the method of the invention. However, the resistivity may vary depending on end-use requirements. With this in mind, the wafer may be heavily doped, semi-insulating, or have a doping profile in between. Single crystal semiconductor wafer 100 may have any resistivity obtained by the Czochralski or Float Zone method. Therefore, resistivity can vary from sub-milliohms to mega-ohms or higher. In some embodiments, single crystal semiconductor wafer 100 includes a p-type dopant or an n-type dopant. Suitable dopants include boron (p-type), gallium (p-type), phosphorous (n-type), antimony (n-type), and arsenic (n-type). Dopant concentrations are selected based on the desired resistivity of the wafer. In some embodiments, the single crystal semiconductor wafer includes a p-type dopant. In some embodiments, the single crystal semiconductor wafer is a single crystal silicon wafer that includes a p-type dopant such as boron.

いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハ100は、比較的低い最小バルク抵抗率、例えば約100オーム-cm未満、約50オーム-cm未満、約1オーム-cm未満、約0.1オーム-cm未満、またはさらに約0.01オーム-cm未満を有する。いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハ100は、比較的低い最小バルク抵抗率、例えば約100オーム-cm未満、または約1オーム-cm~約100オーム-cmを有する。低抵抗率ウエハは、ホウ素(p型)、ガリウム(p型)、リン(n型)、アンチモン(n型)、およびヒ素(n型)などの電気的に活性なドーパントを含んでもよい。基板の抵抗率の選択は、用途に依存する(例えば、基板がバックゲートとして使用される場合、より低い抵抗率が好ましい)が、hBN層およびグラフェン層の成長に影響を与えるべきではない。 In some embodiments, the single crystal semiconductor wafer 100 has a relatively low minimum bulk resistivity, such as less than about 100 ohm-cm, less than about 50 ohm-cm, less than about 1 ohm-cm, about 0.1 ohm-cm. cm, or even less than about 0.01 ohm-cm. In some embodiments, single crystal semiconductor wafer 100 has a relatively low minimum bulk resistivity, eg, less than about 100 ohm-cm, or between about 1 ohm-cm and about 100 ohm-cm. Low resistivity wafers may include electrically active dopants such as boron (p-type), gallium (p-type), phosphorous (n-type), antimony (n-type), and arsenic (n-type). The choice of substrate resistivity depends on the application (e.g., lower resistivity is preferred if the substrate is used as a back gate), but should not affect the growth of the hBN and graphene layers.

いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハ100は、比較的高い最小バルク抵抗率を有する。高抵抗率ウエハは、一般に、チョクラルスキー法またはフロートゾーン法によって成長させた単結晶インゴットからスライスされる。高抵抗率ウエハは、一般に非常に低い濃度で、ボロン(p型)、ガリウム(p型)、アルミニウム(p型)、インジウム(p型)、リン(n型)、アンチモン(n型)、およびヒ素(p型)などの電気的に活性なドーパントを含んでもよい。Cz成長シリコンウエハは、結晶成長中に取り込まれる酸素によって引き起こされる熱ドナーを消滅させるために、約600℃~約1000℃の範囲の温度で熱アニールに供されてもよい。いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハは、少なくとも100オーム-cm、またはさらに少なくとも約500オーム-cm、例えば約100オーム-cm~約100,000オーム-cm、または約500オーム-cm~約100,000オーム-cm、または約1000オーム-cm~約100,000オーム-cm、または約500オーム-cm~約10,000オーム-cm、または約750オーム-cm~約10,000オーム-cm、約1000オーム-cm~約10,000オーム-cm、約1000オーム-cm~約6000オーム-cm、約2000オーム-cm~約10,000オーム-cm、約3000オーム-cm~約10,000オーム-cm、または約3000オーム-cm~約5,000オーム-cmの最小バルク抵抗率を有する。いくつかの好ましい実施形態では、単結晶半導体基板は、約1000オーム-cm~約6,000オーム-cmのバルク抵抗率を有する。いくつかの好ましい実施形態では、単結晶半導体基板は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される電気的に活性なドーパントを含む。いくつかの好ましい実施形態では、単結晶半導体ウエハは、約2×1013原子/cm未満、約1×1013原子/cm未満、例えば約5×1012原子/cm未満、または約1×1012原子/cm未満の濃度で存在し得るホウ素を含む。高抵抗率ウエハを調製するための方法は、当技術分野において既知であり、そのような高抵抗率ウエハは、SunEdison Semiconductor Ltd.などの市販の業者から得てもよい(St.Peters、MO;以前はMEMC Electronic Materials、Inc.)。 In some embodiments, single crystal semiconductor wafer 100 has a relatively high minimum bulk resistivity. High resistivity wafers are commonly sliced from single crystal ingots grown by the Czochralski or Float Zone method. High resistivity wafers typically have very low concentrations of boron (p-type), gallium (p-type), aluminum (p-type), indium (p-type), phosphorous (n-type), antimony (n-type), and It may also include electrically active dopants such as arsenic (p-type). Cz-grown silicon wafers may be subjected to thermal annealing at temperatures in the range of about 600° C. to about 1000° C. to quench thermal donors caused by oxygen incorporated during crystal growth. In some embodiments, the single crystal semiconductor wafer is at least 100 ohm-cm, or even at least about 500 ohm-cm, such as from about 100 ohm-cm to about 100,000 ohm-cm, or from about 500 ohm-cm about 100,000 ohm-cm, or about 1000 ohm-cm to about 100,000 ohm-cm, or about 500 ohm-cm to about 10,000 ohm-cm, or about 750 ohm-cm to about 10,000 ohm-cm -cm, from about 1000 ohm-cm to about 10,000 ohm-cm, from about 1000 ohm-cm to about 6000 ohm-cm, from about 2000 ohm-cm to about 10,000 ohm-cm, from about 3000 ohm-cm to about It has a minimum bulk resistivity of 10,000 ohm-cm, or from about 3000 ohm-cm to about 5,000 ohm-cm. In some preferred embodiments, the single crystal semiconductor substrate has a bulk resistivity between about 1000 ohm-cm and about 6,000 ohm-cm. In some preferred embodiments, the single crystal semiconductor substrate comprises an electrically active dopant selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, indium, and any combination thereof. In some preferred embodiments, the single crystal semiconductor wafer has less than about 2×10 13 atoms/cm 3 , less than about 1×10 13 atoms/cm 3 , such as less than about 5×10 12 atoms/cm 3 , or about It contains boron, which can be present in concentrations less than 1×10 12 atoms/cm 3 . Methods for preparing high resistivity wafers are known in the art and such high resistivity wafers are available from SunEdison Semiconductor Ltd. (St. Peters, MO; formerly MEMC Electronic Materials, Inc.).

単結晶半導体ウエハ100は、単結晶シリコンを含んでもよい。単結晶半導体ウエハ100は、例えば、(100)、(110)、または(111)の結晶方位のいずれかを有してもよく、結晶方位の選択は、構造の最終用途によって規定されてもよい。 Single crystal semiconductor wafer 100 may include single crystal silicon. Single crystal semiconductor wafer 100 may have, for example, either a (100), (110), or (111) crystallographic orientation, and the choice of crystallographic orientation may be dictated by the end use of the structure. .

ここで図1Bを参照すると、本発明の方法のいくつかの実施形態では、半導体基板100の主要表面のうちの1つ以上は、誘電体層200で変性されてもよい。誘電体層200は、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、または二酸化シリコン、窒化シリコン、もしくは酸窒化シリコン層の組み合わせを、すなわち多層で含んでもよい。 Referring now to FIG. 1B, one or more of the major surfaces of the semiconductor substrate 100 may be modified with a dielectric layer 200 in some embodiments of the method of the present invention. Dielectric layer 200 may include silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or a combination of silicon dioxide, silicon nitride, or silicon oxynitride layers, ie, multiple layers.

いくつかの実施形態では、半導体基板100は、その前面層が酸化されたシリコンウエハを含む。好ましい実施形態では、半導体基板100は、シリコンウエハ、またはシリコンウエハの前面層が二酸化シリコン(SiO)を含む誘電体層200を含むように前面が好ましく酸化されたシリコンウエハを含む。いくつかの実施形態では、二酸化シリコン層は、約10nm~約1000nm、約30nm~約1000nm、約50nm~約500nm、好ましくは約50nm~約300nmの厚さ、例えば約90nm~約300ナノメートル厚、または約90nm~約200ナノメートル厚を有してもよい。シリコンウエハの前面は、当技術分野で既知のように、湿式酸化または乾式酸化によって熱酸化され得る。いくつかの実施形態では、ウエハの前面および裏面は、ASM A400またはASM A400XTなどの炉内で熱酸化され得る。熱酸化は、一般に、約800℃~約1200℃などの高温で起こる。酸化は、湿式(例えば、酸化のための超高純度蒸気などの水蒸気中、周囲雰囲気)、または乾式(例えば、酸素ガス雰囲気中)であってもよい。任意に、周囲雰囲気は、酸化中に表面不純物を除去するために、例えば最大約10容積%の塩酸を含有してもよい。 In some embodiments, semiconductor substrate 100 comprises a silicon wafer with its front layer oxidized. In a preferred embodiment, the semiconductor substrate 100 comprises a silicon wafer or a silicon wafer whose front side is preferably oxidized such that the front layer of the silicon wafer comprises a dielectric layer 200 comprising silicon dioxide (SiO 2 ). In some embodiments, the silicon dioxide layer is about 10 nm to about 1000 nm, about 30 nm to about 1000 nm, about 50 nm to about 500 nm, preferably about 50 nm to about 300 nm thick, such as about 90 nm to about 300 nm thick. , or from about 90 nm to about 200 nanometers thick. The front side of the silicon wafer can be thermally oxidized by wet oxidation or dry oxidation as known in the art. In some embodiments, the front and back sides of the wafer can be thermally oxidized in a furnace such as ASM A400 or ASM A400XT. Thermal oxidation generally occurs at elevated temperatures, such as from about 800°C to about 1200°C. Oxidation may be wet (eg, in water vapor, such as ultrapure steam for oxidation, ambient atmosphere) or dry (eg, in an oxygen gas atmosphere). Optionally, the ambient atmosphere may contain hydrochloric acid, for example up to about 10% by volume, to remove surface impurities during oxidation.

いくつかの実施形態では、酸化層は、比較的薄く、例えば約5オングストローム~約25オングストローム、例えば約10オングストローム~約15オングストロームである。薄い酸化物層は、SC1/SC2洗浄液などの標準的な洗浄液に曝露することによって、半導体ウエハの両面で得ることができる。いくつかの実施形態では、SC1溶液は、5部の脱イオン水、1部のNHOH水溶液(水酸化アンモニウム、29重量%のNH)、および1部のH水溶液(過酸化水素、30%)を含む。いくつかの実施形態では、SC2溶液などの酸化剤を含む水溶液に曝露することによって、ハンドルウエハを酸化してもよい。いくつかの実施形態では、SC2溶液は、5部の脱イオン水、1部のHCl水溶液(塩酸、39重量%)、および1部のH水溶液(過酸化水素、30%)を含む。 In some embodiments, the oxide layer is relatively thin, such as from about 5 Angstroms to about 25 Angstroms, such as from about 10 Angstroms to about 15 Angstroms. Thin oxide layers can be obtained on both sides of the semiconductor wafer by exposure to standard cleaning solutions such as SC1/SC2 cleaning solutions. In some embodiments, the SC1 solution is 5 parts deionized water, 1 part aqueous NH 4 OH (ammonium hydroxide, 29 wt% NH 3 ), and 1 part aqueous H 2 O 2 (peroxide hydrogen, 30%). In some embodiments, the handle wafer may be oxidized by exposure to an aqueous solution containing an oxidizing agent such as SC2 solution. In some embodiments, the SC2 solution comprises 5 parts deionized water, 1 part aqueous HCl (hydrochloric acid, 39% by weight), and 1 part aqueous H2O2 (hydrogen peroxide, 30%). .

いくつかの実施形態では、半導体基板100は、窒化シリコンを含む誘電体層200を含んでもよい。いくつかの実施形態では、半導体基板100は、露出したシリコンウエハを含み、その上に窒化シリコン層が堆積される。いくつかの実施形態では、半導体基板100は、その前面層が上述のように酸化された後に窒化シリコン層が堆積されるシリコンウエハを含む。窒化シリコン層は、窒化シリコンが金属原子、例えばニッケルの酸化シリコン層への拡散を低減するためにバリア層を有利に形成するので、露出したシリコンまたは二酸化シリコン層上に堆積させてもよい。いくつかの実施形態では、窒化シリコン層の厚さは、約10nm~約1000nm、約30nm~約1000nm、または約50ナノメートル~約1000ナノメートルの範囲であり得る。いくつかの実施形態では、窒化シリコン層の厚さは、約50ナノメートル~約500ナノメートルの範囲であり得る。いくつかの実施形態では、窒化シリコン層の厚さは、約70ナノメートル~約250ナノメートルの範囲であり得る。窒化シリコン層の厚さは、より薄い層が好ましいようなデバイス性能と、より厚い層が好ましいような不純物の半導体基板への内部拡散を防止する効果的なバリアとの間のトレードオフの観点から決定される。窒化シリコンは、高温で窒素および/またはアンモニアの雰囲気と基板を接触させることによって、シリコンまたは酸化シリコン層の表面に堆積させてもよい。例えば、半導体は、約700℃~約1300℃の範囲の温度で、窒素ガスまたはアンモニアに曝露されてもよい。 In some embodiments, semiconductor substrate 100 may include dielectric layer 200 comprising silicon nitride. In some embodiments, semiconductor substrate 100 comprises a bare silicon wafer on which a silicon nitride layer is deposited. In some embodiments, the semiconductor substrate 100 comprises a silicon wafer on which a silicon nitride layer is deposited after its front layer has been oxidized as described above. A silicon nitride layer may be deposited over the exposed silicon or silicon dioxide layer as silicon nitride advantageously forms a barrier layer to reduce the diffusion of metal atoms, such as nickel, into the silicon oxide layer. In some embodiments, the thickness of the silicon nitride layer can range from about 10 nm to about 1000 nm, from about 30 nm to about 1000 nm, or from about 50 nanometers to about 1000 nanometers. In some embodiments, the thickness of the silicon nitride layer can range from about 50 nanometers to about 500 nanometers. In some embodiments, the thickness of the silicon nitride layer can range from about 70 nanometers to about 250 nanometers. The thickness of the silicon nitride layer is a trade-off between device performance, where thinner layers are preferred, and effective barrier to prevent inter-diffusion of impurities into the semiconductor substrate, where thicker layers are preferred. It is determined. Silicon nitride may be deposited on the surface of a silicon or silicon oxide layer by contacting the substrate with an atmosphere of nitrogen and/or ammonia at elevated temperatures. For example, the semiconductor may be exposed to nitrogen gas or ammonia at temperatures ranging from about 700.degree. C. to about 1300.degree.

いくつかの実施形態では、窒化シリコンは、約800℃での化学蒸着によって形成される。いくつかの実施形態では、窒化シリコンは、プラズマ強化化学蒸着によって堆積されてもよい。プラズマ表面活性化ツールは、市販のツール、例えばEVG(登録商標)810LT低温プラズマ活性化システムなどの、EV Groupから入手可能なものである。プラズマ強化CVDチャンバの一般的要件には、様々な電極設計、発電用エレクトロニクス、電力をガス負荷に伝達するためのインピーダンス整合ネットワーク、投入ガス用の質量流量制御装置、および圧力制御システムが含まれる。典型的なシステムは、誘導結合RF源によって給電される垂直管型反応器である。単結晶半導体ハンドルウエハ100は、チャンバ内に装填され、加熱された支持チャンバ上に置かれる。チャンバは排気され、アルゴンなどのキャリアガス中の窒素ガス源を用いて大気圧未満の圧力まで埋め戻されることによってプラズマを生成する。アンモニアおよび/または窒素および/または一酸化窒素(NO)および/または亜酸化窒素(NO)ガスは、プラズマ窒化物処理のための好適な原料ガスである。窒化シリコンプラズマ膜を堆積させるために、好適なシリコン前駆体は、メチルシラン、四水素化シリコン(シラン)、トリシラン、ジシラン、ペンタシラン、ネオペンタシラン、テトラシラン、ジクロロシラン(SiHCI)、トリクロロシラン(SiHCl)、四塩化シリコン(SiCI)、テトラエチルオルトシリケート(Si(OCHCH)などが挙げられる。ガス状シリコン前駆体とガス状酸素および/または窒素前駆体との流量比は、約1/200~約1/50、例えば約1/100であり得る。 In some embodiments, silicon nitride is formed by chemical vapor deposition at approximately 800 degrees Celsius. In some embodiments, silicon nitride may be deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition. Plasma surface activation tools are commercially available tools, such as those available from the EV Group, such as the EVG® 810LT Low Temperature Plasma Activation System. Common requirements for plasma-enhanced CVD chambers include various electrode designs, power generation electronics, impedance matching networks for transferring power to gas loads, mass flow controllers for input gases, and pressure control systems. A typical system is a vertical tube reactor powered by an inductively coupled RF source. A single crystal semiconductor handle wafer 100 is loaded into the chamber and placed on a heated support chamber. The chamber is evacuated and backfilled to sub-atmospheric pressure using a nitrogen gas source in a carrier gas such as argon to generate a plasma. Ammonia and/or nitrogen and/or nitric oxide (NO) and/or nitrous oxide (N 2 O) gases are preferred source gases for plasma nitride processing. For depositing silicon nitride plasma films, suitable silicon precursors are methylsilane, silicon tetrahydride (silane), trisilane, disilane, pentasilane, neopentasilane, tetrasilane, dichlorosilane ( SiH2CI2 ) , trichlorosilane. (SiHCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCI 4 ), tetraethyl orthosilicate (Si(OCH 2 CH 3 ) 4 ) and the like. The flow ratio of the gaseous silicon precursor to the gaseous oxygen and/or nitrogen precursors can be from about 1/200 to about 1/50, such as about 1/100.

いくつかの実施形態では、PECVD堆積、特に窒化シリコン層のPECVD堆積は、マイクロ波励起によって高められ得る。マイクロ波励起PECVDは、放電領域を反応領域から分離することができ、堆積層の損傷を低減するので、有利である。前駆体化合物、例えばシランおよびアンモニアは、例えば2.45GHzのマイクロ波におけるマイクロ波放電によって励起され、励起されたガスは、プラズマチャンバから反応チャンバに拡散する。そのような膜は、化学量論またはそれに近い、例えば、Siに調整してもよい。 In some embodiments, PECVD deposition, particularly PECVD deposition of silicon nitride layers, can be enhanced by microwave excitation. Microwave-enhanced PECVD is advantageous because it allows the discharge region to be separated from the reaction region, reducing damage to the deposited layer. Precursor compounds, such as silane and ammonia, are excited by a microwave discharge at microwaves of, for example, 2.45 GHz, and the excited gas diffuses from the plasma chamber into the reaction chamber. Such films may be tailored to be at or near stoichiometric, eg, Si 3 N 4 .

いくつかの実施形態では、堆積は、低圧化学蒸着によって達成されてもよい。LPCVDプロセスは、低温または高温壁型石英管反応器で行うことができる。高温壁型炉は、バッチ処理を可能にすることによって、高スループットを可能にする。それらはまた、良好な熱均一性を提供し、これによって均一な膜をもたらす。高温壁システムの欠点は、堆積が炉壁上でも起こり、その結果、堆積材料の剥離およびその後の粒子汚染を避けるためには、管の頻繁な洗浄または交換が必要となることである。低温壁反応器は、反応器壁に膜が堆積しないので、メンテナンス性が低い。低圧化学気相窒化シリコンは、低圧化学蒸着において約0.01トル~約100トル、例えば約0.1トル~約1トルの圧力で形成されてもよい。温度は、425℃~900℃の範囲であり得る。好適な前駆体には、PECVDについて列挙された前駆体が含まれる。 In some embodiments, deposition may be accomplished by low pressure chemical vapor deposition. The LPCVD process can be performed in a cold or hot wall quartz tube reactor. Hot-wall furnaces enable high throughput by enabling batch processing. They also provide good thermal uniformity, resulting in uniform films. A disadvantage of hot wall systems is that deposition also occurs on the furnace walls, resulting in frequent cleaning or replacement of the tubes to avoid flaking of deposited material and subsequent particle contamination. Cold wall reactors are less maintainable as films do not build up on the reactor walls. Low pressure chemical vapor silicon nitride may be formed in low pressure chemical vapor deposition at pressures from about 0.01 Torr to about 100 Torr, such as from about 0.1 Torr to about 1 Torr. The temperature can range from 425°C to 900°C. Suitable precursors include those listed for PECVD.

PECVDから製造される窒化シリコンは、従来の化学的または物理的蒸着技術に従って堆積された窒化シリコンとは構造的に異なる。従来のCVDまたはPVD堆積は、一般に、Siの化学量論を有する窒化シリコン層をもたらす。プラズマプロセスは、投入された反応ガス、電力レベル、ウエハ温度、および全体的な反応器圧力の比に依存して、Siなどの組成を有する膜を堆積させるように制御することができる。プラズマシステムにおける経路は、Si-N、Si=N、およびSi≡N結合を形成するために存在する。これは、プラズマエネルギーがSiおよびN種を製造するハンマーであるという事実に起因する。例えば、屈折率および光学的ギャップは、Si/N比によって劇的に変化する。より高いシラン濃度では、膜は、Siリッチになり、最大3.0の屈折率(LPCVDの2と比較して)に達する可能性がある。 Silicon nitride produced from PECVD is structurally different from silicon nitride deposited according to conventional chemical or physical vapor deposition techniques. Conventional CVD or PVD deposition generally results in a silicon nitride layer with a stoichiometry of Si3N4 . The plasma process can be controlled to deposit a film having a composition such as SixNyHz depending on the ratio of injected reactant gases, power levels, wafer temperature, and overall reactor pressure . can be done. Pathways in plasma systems exist to form Si—N, Si═N, and Si≡N bonds. This is due to the fact that plasma energy is a hammer producing Six Hz and Ny Hz species. For example, the refractive index and optical gap change dramatically with the Si/N ratio. At higher silane concentrations, the films can become Si-rich and reach a refractive index of up to 3.0 (compared to 2 for LPCVD).

いくつかの実施形態では、誘電体層200を含む半導体基板100は、例えば有機物または他の不純物を除去するために、コバルトを含む層を堆積する前に洗浄される。好適な洗浄液は、HSO(濃縮)およびH(30%溶液)を含むピラニア溶液であり、典型的には3:1の比であるが、他の比、例えば4:1または7:1は好適である。洗浄期間は、好適には約15分~約2時間である。
II.六方晶窒化ホウ素合成
In some embodiments, the semiconductor substrate 100 including the dielectric layer 200 is cleaned prior to depositing the cobalt-containing layer, eg, to remove organics or other impurities. A suitable cleaning liquid is a piranha solution comprising H2SO4 (concentrated) and H2O2 (30% solution), typically in a 3:1 ratio, but other ratios such as 4:1 or 7:1 is preferred. The washing period is preferably from about 15 minutes to about 2 hours.
II. Synthesis of hexagonal boron nitride

本発明の方法のいくつかの実施形態によれば、図1Cを参照すると、六方晶窒化ホウ素を含む層300は、単結晶半導体ウエハ基板100(例えば、誘電体層200が存在しない露出した単結晶シリコン基板)の前面に直接堆積させるか、または単結晶半導体ウエハ基板100の前面上の誘電体層200、例えば窒化シリコンの前面上に直接堆積させる。本発明の方法は、金属触媒を使用することなく、六方晶窒化ホウ素を含む層300を単結晶半導体ウエハ基板100の前面または誘電体層200上に堆積させる。いくつかの実施形態では、単結晶半導体ウエハ基板100は、誘電体層で露出しているか、または変性されていない。いくつかの実施形態では、誘電体層200は、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される材料を含む1つ以上の絶縁層を、例えば多層に含む。いくつかの実施形態では、誘電体層は、少なくとも約1ナノメートル厚、例えば約1ナノメートル~約10ナノメートル、例えば約10ナノメートル~約10,000ナノメートル、約10ナノメートル~約5,000ナノメートル、50ナノメートル~約400ナノメートル、または約100ナノメートル~約400ナノメートル、例えば約50ナノメートル、100ナノメートル、または200ナノメートルの厚さを有する。いくつかの好ましい実施形態では、誘電体層200は、窒化シリコンを含み、六方晶窒化ホウ素を含む層300は、窒化シリコン上に直接堆積される。好ましくは、窒化シリコンを含む誘電体層200は、例えばピラニア溶液中に堆積される前に表面酸化物から洗浄される。 According to some embodiments of the methods of the present invention, referring to FIG. 1C, layer 300 comprising hexagonal boron nitride is deposited on single crystal semiconductor wafer substrate 100 (eg, exposed single crystal in the absence of dielectric layer 200). silicon substrate) or directly on the front side of a dielectric layer 200, for example silicon nitride, on the front side of a single crystal semiconductor wafer substrate 100; The method of the present invention deposits a layer 300 comprising hexagonal boron nitride on the front side of a single crystal semiconductor wafer substrate 100 or dielectric layer 200 without the use of a metal catalyst. In some embodiments, single crystal semiconductor wafer substrate 100 is exposed or unmodified with a dielectric layer. In some embodiments, dielectric layer 200 comprises one or more insulating layers comprising materials selected from the group consisting of silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and any combination thereof, for example, in multiple layers. include. In some embodiments, the dielectric layer is at least about 1 nanometer thick, such as from about 1 nanometer to about 10 nanometers, such as from about 10 nanometers to about 10,000 nanometers, from about 10 nanometers to about 5 nanometers. ,000 nanometers, 50 nanometers to about 400 nanometers, or about 100 nanometers to about 400 nanometers, such as about 50 nanometers, 100 nanometers, or 200 nanometers. In some preferred embodiments, dielectric layer 200 comprises silicon nitride and layer 300 comprising hexagonal boron nitride is deposited directly on the silicon nitride. Preferably, dielectric layer 200 comprising silicon nitride is cleaned of surface oxides before being deposited, for example in a piranha solution.

誘電体層200上へ堆積するための材料は、窒化シリコンを含み、蒸着技術または気相堆積技術によって堆積させてもよい。例えば、六方晶窒化ホウ素を含む層300は、有機金属化学蒸着(MOCVD)、物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)、低圧化学蒸着(LPCVD)、プラズマ強化化学蒸着(PECVD)、または分子線エピタキシー(MBE)を使用して堆積させてもよい。いくつかの好ましい実施形態では、六方晶窒化ホウ素を含む層300は、低圧化学蒸着(LPCVD)によって堆積させてもよい。好適な機器は、MTI OTF-1200Xである。一般に、ホウ素および窒素源は、堆積温度でガス状または蒸気である。好適なホウ素源には、ジボラン(B)、トリクロロボラン(BCI)、トリフルオロボラン(BF)、およびボランのテトラヒドロフラン(THF)溶液(THF-BH)が含まれる。好適な窒素源には、窒素、またはヒドラジン(N)、またはアンモニアが含まれる。別個のホウ素源および窒素源が使用される場合、好ましくは、CVDチャンバへのガスの流量は、B:Nのモル比が約1.3:1~1:1.3、例えば約1.2:1~約1:1.2、または約1.1:1~約1:1.1、例えば約1:1となるようにする。いくつかの実施形態では、ガスは、窒素および水素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ガスは、好ましくは1:1の比で、ホウ素および窒素の両方、例えば、ボラジン(BH6N)、トリクロロボラジン(例えば2,4,6-トリクロロボラジン、HCI)、アミノボラン(BHNH)、アンモニアボラン(BH3-NH)、アンモニアボラン錯体(HN-BH)、ボラジン(B)、ジボランの二アンモニア化物[(NHBH[BH、およびBNポリマー錯体(ポリボラジレン)を含んでもよい。これらのキャリアに加えて、ガス状雰囲気は、ヘリウムおよびアルゴンなどの不活性キャリアガスを含んでもよい。適切な流量を有する水素はまた、キャリアガスとすることができる。 Materials for deposition onto dielectric layer 200 include silicon nitride and may be deposited by vapor deposition or vapor deposition techniques. For example, layer 300 comprising hexagonal boron nitride may be formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), or molecular beam vapor deposition. It may also be deposited using epitaxy (MBE). In some preferred embodiments, layer 300 comprising hexagonal boron nitride may be deposited by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD). A suitable instrument is the MTI OTF-1200X. Generally, the boron and nitrogen sources are gaseous or vapor at the deposition temperature. Suitable boron sources include diborane (B 2 H 6 ), trichloroborane (BCI 3 ), trifluoroborane (BF 3 ), and borane in tetrahydrofuran (THF) (THF-BH 3 ). Suitable nitrogen sources include nitrogen, or hydrazine ( N2H4 ) , or ammonia. If separate boron and nitrogen sources are used, preferably the gas flow rates to the CVD chamber are such that the molar ratio of B:N is between about 1.3:1 and 1:1.3, such as about 1.2. :1 to about 1:1.2, or about 1.1:1 to about 1:1.1, such as about 1:1. In some embodiments, gases may include nitrogen and hydrogen. In some embodiments, the gas is both boron and nitrogen, eg, borazine (B 3 H6N 3 ), trichloroborazine (eg, 2,4,6-trichloroborazine, H 3 ) , preferably in a 1:1 ratio. B 3 CI 3 N 3 ), aminoborane (BH 2 NH 2 ), ammonia borane (BH3-NH 3 ), ammonia borane complex (H 3 N—BH 3 ), borazine (B 3 N 3 H 6 ), diborane. Ammoniades [(NH 3 ) 2 BH 2 ] + [BH 4 ] , and BN polymer complexes (polyborazylene). In addition to these carriers, the gaseous atmosphere may contain inert carrier gases such as helium and argon. Hydrogen with a suitable flow rate can also be the carrier gas.

LPCVDは、任意に清浄化された基板をCVDチャンバ内の適切な温度に加熱することによって行われ、CVDチャンバ内の適切な温度は、例えば超高真空環境(例えば約10-3~約10-6トル)またはアルゴンもしくは水素などの不活性ガス中で少なくとも約800℃、例えば少なくとも約900℃、少なくとも約1000℃、例えば約1100℃であってもよい。次いで、原料ガスがチャンバ内に輸送される。固体原料ガスは、例えばアンモニアボランを100℃超の温度に加熱することによって、原料ガスを蒸発または昇華させるために適宜加熱してもよい。液体原料ガスは、キャリアガス(ArおよびH)でチャンバ内にバブリングしてもよい。六方晶窒化ホウ素の堆積は、約250トル未満などの減圧、または約10-6トル~約10トルの圧力で起こり得る。反応時間は、約5分~約72時間、例えば約5分~120分、例えば約15分~約60分、または約1時間~約72時間であり得る。所望の堆積期間後、基板は、例えば、最大速度40℃/分で徐冷されるか、または例えば、少なくとも約40℃/分もしくは約100℃/分の速度で急速冷却される。いくつかの実施形態では、六方晶窒化ホウ素の単一の単原子層が堆積される。いくつかの実施形態では、単原子六方晶窒化ホウ素の複数の層は、例えば単原子六方晶窒化ホウ素の少なくとも2つの層、例えば単原子六方晶窒化ホウ素の2~約100層、または単原子六方晶窒化ホウ素の2~約50層、または単原子六方晶窒化ホウ素の3~約50層で堆積される。六方晶系窒化ホウ素は、B:Nのモル比が約1.3:1~1:1.3、例えば約1.2:1~約1:1.2、または約1.1:1~約1:1.1となるような等モル濃度のホウ素および窒素を含む。 LPCVD is performed by heating an optionally cleaned substrate to a suitable temperature within a CVD chamber, which is, for example, an ultra-high vacuum environment (eg, from about 10 −3 to about 10 −3 ) . 6 torr) or at least about 800°C, such as at least about 900°C, at least about 1000°C, such as at least about 1100°C in an inert gas such as argon or hydrogen. A source gas is then transported into the chamber. The solid source gas may optionally be heated to vaporize or sublimate the source gas, for example by heating ammonia borane to a temperature above 100°C. The liquid source gas may be bubbled into the chamber with carrier gases (Ar and H2 ). Deposition of hexagonal boron nitride can occur at reduced pressures, such as less than about 250 torr, or pressures from about 10 −6 torr to about 10 torr. Reaction times can be from about 5 minutes to about 72 hours, such as from about 5 minutes to 120 minutes, such as from about 15 minutes to about 60 minutes, or from about 1 hour to about 72 hours. After the desired deposition period, the substrate is slowly cooled, eg, at a maximum rate of 40° C./minute, or rapidly cooled, eg, at a rate of at least about 40° C./minute or about 100° C./minute. In some embodiments, a single monolayer of hexagonal boron nitride is deposited. In some embodiments, the plurality of layers of monatomic hexagonal boron nitride is, for example, at least two layers of monatomic hexagonal boron nitride, such as 2 to about 100 layers of monatomic hexagonal boron nitride, or 2 to about 50 layers of crystalline boron nitride, or 3 to about 50 layers of monatomic hexagonal boron nitride. Hexagonal boron nitride has a B:N molar ratio of about 1.3:1 to 1:1.3, such as about 1.2:1 to about 1:1.2, or about 1.1:1 to Contains equimolar concentrations of boron and nitrogen such as about 1:1.1.

実施例を参照すると、一実施形態では、Si/Si上のh-BN合成は、低圧CVD(LPCVD)システムを介して実施された。LPCVDは、成長が表面反応によって制限され、膜形成が基板またはガス流効果の幾何学的形状とは無関係であるため、好ましい堆積技術である。Si/Si基板上の窒化物支援LPCVDによって形成されたh-BN膜の品質および均一性は、共焦点ラマン分光法によって確認され得、E2gフォノン振動モードに対応する1372cm-1に特徴的なピークを示す。図2Aを参照し、挿入図は、原子振動を示す。h-BN膜の連続性および均一性は、光学顕微鏡(OM)画像(図2B参照)およびラマン空間マッピング(図2C参照)において明確に通知されているさらなるグラフェンエレクトロニクスの重要な基準であり、円で示された領域は、図2Aの一貫したラマンスペクトルに対応する。図2Bおよび図2Cの左上の円は、図2Aの下の曲線に対応する。図2Bおよび図2Cの中心の円は、図2Aの上の曲線に対応する。図2Bおよび2Cの右下の円は、図2Aの中央の曲線に対応する。OM画像およびラマンマッピングの両方の均質な色のコントラストは、Si/Si基板上の連続的かつ均一なh-BN膜の形成を明確に示している。Si/Si基板上のh-BN膜の形成をさらに確認するために、元素組成および化学量論をX線光電子分光法(XPS)によって分析した。図2Dおよび図2Eは、それぞれ、ガウス関数によってフィッティングされたホウ素(B)1sおよび窒素(N)1sの高分解能XPSスペクトルを示す。B1sスペクトルは、191.09eVおよび192.39eVの結合エネルギー(BE)に位置する2つのピークからなり、これはエッジの内部B-NボンディングおよびB-N結合にそれぞれ対応する。N1s信号は、398.87eVのBEで現れ、B-Nボンディングに起因する。さらに、NとBとの原子濃度比は、1:1.11±0.09であり、これはh-BN中のB元素とN元素との形成がほぼ等しい組成であることを示唆している。さらに、h-BN表面は、原子的に平滑であり、したがって表面を調べることが重要である。図2Fは、h-BN変性Si/Si表面の0.66nmの標準偏差およびSi/Si表面の2.22nmの標準偏差を有するガウス分布によりフィットされた粗さヒストグラムを示しており、h-BN変性Si/Siの表面平滑性が3.4倍向上したことを意味する。これは、h-BN変性SiO表面の標準偏差値の1.37nmおよびSiO表面の8.59nmより小さい。ベフラ,S.,グエン,P.,チェ,S.,デベルマ,R.およびベリー,V.のLarge-Area,Transfer-Free,Oxide-Assisted Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Films and Their Heterostructures with MoS2 and WS2.Journal of the American Chemical Society 137,13060-13065,(2015)を参照されたい。 Referring to the examples, in one embodiment h-BN synthesis on Si 3 N 4 /Si was performed via a low pressure CVD (LPCVD) system. LPCVD is a preferred deposition technique because growth is limited by surface reactions and film formation is independent of substrate or gas flow effect geometry. The quality and uniformity of h-BN films formed by nitride-assisted LPCVD on Si 3 N 4 /Si substrates can be confirmed by confocal Raman spectroscopy, which corresponds to the E 2g phonon vibrational mode at 1372 cm −1 . A characteristic peak is shown. Referring to FIG. 2A, the inset shows atomic vibrations. The continuity and uniformity of h-BN films are important criteria for further graphene electronics, clearly informed in optical microscopy (OM) images (see Fig. 2B) and Raman spatial mapping (see Fig. 2C), indicating that the circular The region marked with corresponds to the consistent Raman spectrum of FIG. 2A. The upper left circles in FIGS. 2B and 2C correspond to the lower curve in FIG. 2A. The central circles in FIGS. 2B and 2C correspond to the upper curves in FIG. 2A. The lower right circles in FIGS. 2B and 2C correspond to the central curve in FIG. 2A. Homogeneous color contrast of both OM images and Raman mapping clearly indicate the formation of continuous and uniform h-BN films on Si 3 N 4 /Si substrates. To further confirm the formation of h-BN films on Si 3 N 4 /Si substrates, the elemental composition and stoichiometry were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Figures 2D and 2E show high-resolution XPS spectra of boron (B) 1s and nitrogen (N) 1s, respectively, fitted by a Gaussian function. The B1s spectrum consists of two peaks located at bond energies (BE) of 191.09 eV and 192.39 eV, which correspond to internal BN bonding and BN bonding of the edge, respectively. The N1s signal appears at a BE of 398.87 eV and is due to BN bonding. Furthermore, the atomic concentration ratio of N and B is 1:1.11±0.09, suggesting that the composition of the B and N elements in h-BN is almost equal. there is Furthermore, the h-BN surface is atomically smooth, so it is important to probe the surface. FIG. 2F shows roughness histograms fitted by a Gaussian distribution with a standard deviation of 0.66 nm for the h-BN-modified Si 3 N 4 /Si surface and a standard deviation of 2.22 nm for the Si 3 N 4 /Si surface. , which means that the surface smoothness of the h-BN-modified Si 3 N 4 /Si was improved by 3.4 times. This is smaller than the standard deviation value of 1.37 nm for the h-BN modified SiO 2 surface and 8.59 nm for the SiO 2 surface. Befla, S. , Nguyen, P. , Che, S. , DeVerma, R. and Berry, V.; Large-Area, Transfer-Free, Oxide-Assisted Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Films and Their Heterostructures with MoS2 and WS2. See Journal of the American Chemical Society 137, 13060-13065, (2015).

金属表面上のh-BN形成に関する研究は、成長速度論(Cuの表面媒介およびNiおよびFeの偏析に基づく)を示す。キム,S.M.らのSynthesis of large-area multilayer hexagonal boron nitride for high material performance.Nat Commun 6,(2015)を参照されたい。しかしながら、h-BN成長メカニズムの明確な理解は、特に非金属表面、例えば:Si表面およびSi系誘電体表面(Si/SiおよびSiO/Si)では欠落している。本明細書では、原子分子動力学(MD)シミュレーションによりしっかり支持されているSi/SiおよびSiO/Si表面上のh-BN膜の成長速度論を理解しようとする試みがなされている。Si/Si表面上のh-BN成長メカニズムの概略を図3Aに示す。名目上、h-BNのCVD成長は、以下の5つの基本工程を経て処理される:(1)固体アンモニアボラン(AB)が、約100℃で昇華し、水素(H)ガス流(30sccm)によって反応ゾーンに運ばれる。(2)成長温度未満の反応ゾーンにおいて、AB錯体がH、アミノボラン(BHNH)、およびボラジン(HBNH)に熱分解される。(3)(HBNH)および(BHNH)分子が、120℃~300℃で隣接鎖のB-H基とN-H基との熱脱水素反応および架橋反応して活性種(BN)を形成する。この活性種(BN)は、700℃~1100℃でさらに脱水素される。パフェット,M.T.,シモンソン,R.J.,パピン,P.およびペイン,R.T.のBorazine adsorption and decomposition at Pt(111) and Ru(001) surfaces.Surface Science 232,86-296,(1990);ならびにファゼン,P.I,ベック,J.S.,リンチ,A.T.,レムセン,E.E.およびスネドン,L.G.のThermally induced borazine dehydropolymerization reactions.Synthesis and ceramic conversion reactions of a new high-yield polymeric precursor to boron nitride.Chemistry of Materials 2,96-97,(1990)を参照されたい。(4)これらの活性種(BN)は、Si系基板の活性部位に吸着される。(5)Si系基板表面の活性部位への活性種の付着速度がその剥離速度よりも速い場合、そのとき、活性種(BN)は、他の隣接する固定化された(BN)種h-BNドメインをステッチする。 Studies on h-BN formation on metal surfaces show growth kinetics (based on surface mediation of Cu and segregation of Ni and Fe). Kim, S. M. Synthesis of large-area multilayerer hexagonal boron nitride for high material performance. See Nat Commun 6, (2015). However, a clear understanding of the h-BN growth mechanism is lacking, especially on non-metallic surfaces such as: Si surfaces and Si-based dielectric surfaces (Si 3 N 4 /Si and SiO 2 /Si). Here an attempt is made to understand the growth kinetics of h-BN films on Si 3 N 4 /Si and SiO 2 /Si surfaces, which are well supported by atomic molecular dynamics (MD) simulations. there is A schematic of the h-BN growth mechanism on the Si 3 N 4 /Si surface is shown in FIG. 3A. Nominally, CVD growth of h-BN is processed through the following five basic steps: (1) solid ammonia borane (AB) is sublimed at about 100° C. and a hydrogen (H 2 ) gas flow (30 sccm) is applied; ) into the reaction zone. (2) The AB complex is thermally decomposed into H2 , aminoborane ( BH2NH2 ), and borazine (HBNH) 3 in the reaction zone below the growth temperature. (3) (HBNH) 3 and (BH 2 NH 2 ) molecules undergo thermal dehydrogenation and cross-linking reactions with B—H and NH groups in adjacent chains at 120° C. to 300° C. to form active species (BN ) x H y . This active species (BN) x H y is further dehydrogenated at 700°C to 1100°C. Paffett, M. T. , Simonson, R. J. , Papin, P.; and Payne, R.; T. Borazine adsorption and decomposition at Pt(111) and Ru(001) surfaces. Surface Science 232, 86-296, (1990); I, Beck, J.; S. , Lynch, A.; T. , Remsen, E. E. and Sneddon, L.; G. in Thermally induced borazine dehydropolymerization reactions. Synthesis and ceramic conversion reactions of a new high-yield polymeric precursor to boron nitride. See Chemistry of Materials 2, 96-97, (1990). (4) These active species (BN) x H y are adsorbed to the active sites of the Si-based substrate. (5) If the attachment rate of the active species to the active sites on the Si-based substrate surface is faster than its detachment rate, then the active species (BN) x H xH Stitch the y- species h-BN domain.

さらに、図3Aの左の挿入図は、1×5cmの面積被覆率のSi/Si膜上のh-BNのカメラ画像を示し、大面積のh-BN誘電体膜がいかなる転写関連プロセスもすることなく可能であるという事実を反映している。上記の重要な工程は、以下のように要約することができる:
(1、2)気相解離:

Figure 0007283707000001
(3)活性種(BN)形成:
Figure 0007283707000002
(4)表面吸着:
Figure 0007283707000003
Sは、Si系表面の活性部位である。
(5)表面反応:
これらの活性種、(BN)-SがSi系基板の表面で反応する速度は、以下によって提供される:
Figure 0007283707000004
Furthermore, the left inset of FIG. It reflects the fact that it is possible without any associated processes. The key steps above can be summarized as follows:
(1, 2) Gas phase dissociation:
Figure 0007283707000001
(3) Active species (BN) x H y formation:
Figure 0007283707000002
(4) Surface adsorption:
Figure 0007283707000003
S is an active site on the Si-based surface.
(5) Surface reaction:
The rate at which these active species, (BN) x H y -S, react at the surface of Si-based substrates is provided by:
Figure 0007283707000004

高温でのh-BNのCVD合成中、h-BNの成長は、(i)表面反応速度がアレニウス項に依存するために非常に速く起こる(k~exp(-E/RT)、および(ii)活性種が表面上にあまり吸着しない(k~l/sqrt(T)ので表面吸着工程(k<<k)によって支配される。これらの2つの工程が連続して起こっているので、定常状態では、全体のフラックスは、
プロセス=r吸着=r表面反応

Figure 0007283707000005
として定義される。

この微分方程式の解は、次の通りである:

Figure 0007283707000006
During the CVD synthesis of h-BN at high temperatures, the growth of h-BN occurs very rapidly due to (i) the dependence of the surface reaction rate on the Arrhenius term ( ks ~ exp(-E A /RT), and (ii) dominated by the surface adsorption process (k a <<k s ) as the active species are poorly adsorbed on the surface (k ∼ l /sqrt(T). These two processes occur in succession , so at steady state the total flux is
r process = r adsorption = r surface reaction

Figure 0007283707000005
defined as

The solution of this differential equation is:

Figure 0007283707000006

hBNがh-BN膜の厚さである場合、Tは、h-BN膜の特徴的な厚さ(すなわち、h-BN膜の最大厚さ)であり、tは、成長時間であり、τは、吸着の特徴的な時間である。データは、与えられた成長条件でのSi/SiおよびSiO/Si上のh-BNの特徴的な厚さが、それぞれ5および20nmである誘導式(1)と良好にフィットする(図3Bの実線)。この特徴的な厚さ、Tは、活性部位の密度に依存する(SiO/Si表面は、Si/Si表面よりも4倍高い活性部位を有する)。さらに、特徴的な時間は、(BN)としての活性種の吸着が、Si/Si表面よりもSiO/Si表面を好むことを示している。 Where T hBN is the thickness of the h-BN film, T s is the characteristic thickness of the h-BN film (i.e., the maximum thickness of the h-BN film) and t is the growth time. , τ is the characteristic time of adsorption. The data fit well with the derived equation (1) where the characteristic thicknesses of h-BN on Si 3 N 4 /Si and SiO 2 /Si at the given growth conditions are 5 and 20 nm, respectively. (solid line in FIG. 3B). This characteristic thickness, T s , depends on the density of active sites (SiO 2 /Si surfaces have four times more active sites than Si 3 N 4 /Si surfaces). Furthermore, the characteristic times indicate that adsorption of active species as (BN) xHy favors the SiO2 /Si surface over the Si3N4 /Si surface .

SiO/SiおよびSi/Si表面上のh-BN膜の成長速度論のために誘導されたモデルは、基板上の膜の厚さが気相から基板への反応物の吸着に依存するという仮定に基づいている。このモデルはまた、水素の発生および六方晶窒化ホウ素の形成が成長プロセスの最終工程であると仮定している。反応物質の吸着に及ぼす基板の影響を理解するために、本発明者達は、オープンソースのLAMMPSパッケージを使用して原子分子的分子動力学シミュレーションを実施した。プリンプトン,S.のFast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics.Journal of Computational Physics 117,1-19,(1995)を参照されたい。表面上のボラジン分子の吸着をモデル化するために、本発明者達は、全原子相互作用電位を使用した。ファンデルワールス相互作用は、6-12レナードジョーンズポテンシャルを使用してモデル化され静電電位は、クーロンの法則を使用してモデル化される。SiO/SiおよびSi/Si表面上へのボラジン分子の吸着は、1000Kの温度でNVTアンサンブルシミュレーションを使用して研究した。シミュレーション全体では、ボラジン分子のみが移動性が保持され、さらに分子は、剛体として扱われ、各分子上の力は、分子(B)中の12個の原子すべての力の合計である。シミュレーションは、0.25フェムト秒の時間工程を使用して合計500ピコ秒の時間で実施された。最初に、ボラジン分子が、長距離静電力によって基板に向かって引き寄せられ、それらが基板にあると、短距離のファンデルワールス力およびクーロン力が、それらを基板に吸着させたままにする。ボラジン分子の極性性質のために、本発明者達は、最初気相において、それらが平面2Dクラスターを形成する傾向があることを観察した。気相にクラスターを形成しない少数の分子が基板の上に吸着される。本発明者達は、12ps後にSiO/Siの上に4つのボラジン分子が吸着したのに対して、Si/Si表面の上に吸着されたボラジン分子は1つだけであることを観察した。両方の基板が全体的な電荷中性を維持しているにもかかわらず、Si/Siと比較してSiO/Siに対するより高い吸着は、基板の最上層の表面電荷によって説明することができる。SiO/Siの(001)面(最上層)は、ダングリング酸素原子のみからなり、シリコン原子は、表面酸素原子より1.24Å小さい。図3Cを参照されたい。したがって、SiO/Si基板の最上層は、負に帯電する。一方、Si/Si基板の(001)面(最上層)は、Si原子およびN原子の両方の平面配置を有し、最上層の全電荷はゼロである。図3Cを参照されたい。SiO/Si中の負に荷電したダングリング酸素原子は、Si/Siの平面および中性表面と比較して、より多くのボラジン分子を吸着する傾向がある。最終的に気相中に形成される平面クラスターは、基板の上に吸着される。本発明者達は、両方の基板について、既に吸着したボラジン分子にクラスターが付着することを観察した。SiO/Si基板は、より多くのボラジン分子を吸着するので、クラスターは、Si/Si基板と比較して、SiO/Si基板上に付着する部位が多くなる。気相から基板へのボラジン分子のすべての吸着に要する時間は、それぞれSiO/SiおよびSi/Siについて約75psおよび200psであることも観察された。吸着されたクラスターは、表面を覆い、最終的に脱水素化を受け、提案された成長モデルによって予測されるようにh-BNを形成する。 Models derived for the growth kinetics of h-BN films on SiO 2 /Si and Si 3 N 4 /Si surfaces indicate that the film thickness on the substrate depends on the adsorption of reactants from the gas phase to the substrate. It is based on the assumption that The model also assumes that hydrogen evolution and hexagonal boron nitride formation are the final steps in the growth process. To understand the effect of the substrate on reactant adsorption, we performed atomic molecular dynamics simulations using the open-source LAMMPS package. Plimpton, S.; Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics. See Journal of Computational Physics 117, 1-19, (1995). To model the adsorption of borazine molecules on surfaces, we used the total atom interaction potential. Van der Waals interactions are modeled using the 6-12 Lennard Jones potential and electrostatic potentials are modeled using Coulomb's law. The adsorption of borazine molecules on SiO2 /Si and Si3N4 /Si surfaces was studied using NVT ensemble simulations at a temperature of 1000K. In the entire simulation, only the borazine molecule remains mobile, and the molecule is treated as a rigid body, and the force on each molecule is the sum of the forces of all 12 atoms in the molecule ( B3N3H6 ) . is. The simulation was performed for a total time of 500 picoseconds using a time step of 0.25 femtoseconds. Initially, borazine molecules are attracted toward the substrate by long-range electrostatic forces, and once they are on the substrate, short-range van der Waals and Coulomb forces keep them attached to the substrate. Due to the polar nature of the borazine molecules, we observed that initially in the gas phase they tended to form planar 2D clusters. A few molecules that do not form clusters in the gas phase are adsorbed onto the substrate. We found that four borazine molecules were adsorbed on the SiO2 /Si after 12 ps, whereas only one borazine molecule was adsorbed on the Si3N4 /Si surface . Observed. The higher adsorption for SiO2 /Si compared to Si3N4 /Si is explained by the surface charge on the top layer of the substrates, even though both substrates maintain overall charge neutrality . be able to. The (001) plane (top layer) of SiO 2 /Si consists only of dangling oxygen atoms, and the silicon atoms are 1.24 Å smaller than the surface oxygen atoms. See FIG. 3C. Therefore, the top layer of the SiO2 /Si substrate is negatively charged. On the other hand, the (001) plane (top layer) of the Si 3 N 4 /Si substrate has the planar arrangement of both Si and N atoms, and the total charge of the top layer is zero. See FIG. 3C. Negatively charged dangling oxygen atoms in SiO2 /Si tend to adsorb more borazine molecules compared to planar and neutral surfaces of Si3N4 /Si. The planar clusters that eventually form in the gas phase are adsorbed onto the substrate. For both substrates we observed clusters attaching to already adsorbed borazine molecules. Since the SiO 2 /Si substrate adsorbs more borazine molecules, the clusters have more sites attached on the SiO 2 /Si substrate compared to the Si 3 N 4 /Si substrate. It was also observed that the total adsorption time of borazine molecules from the gas phase to the substrate was about 75 ps and 200 ps for SiO2 /Si and Si3N4 /Si, respectively. Adsorbed clusters cover the surface and eventually undergo dehydrogenation to form h-BN as predicted by the proposed growth model.

提案された成長モデルおよびそれに続くMDシミュレーションを用いた実験検証は、表面吸着がSi系誘電体表面上のh-BN核生成の律速段階であることを示唆している。吸着速度論誘導メカニズムをさらに確認するために、同じCVD条件を維持しながら、露出したSiおよびOプラズマ処理したSi上でh-BNを成長させるための革新的な実験セットアップを設計した。予想通り、高いラマン強度は、より厚い膜を意味するので、h-BNのE2gピークについてのラマン強度の増加によって証明されるように、露出したSi表面とは対照的に、Oプラズマ処理されたSi表面において、h-BNの成長速度は、より高い(図3D)。ゴルバチョフ,R.V.らのHunting for Monolayer Boron Nitride:Optical and Raman Signatures.Small 7,465-468,(2011)を参照されたい。したがって、このプロセスは、Oプラズマ処理されたSi表面が露出したSi表面と比較してより多くの活性部位(Cs)を示すことから、補助された吸着速度論であることは明らかである。さらに、SiO/SiおよびSi/Si表面上のh-BN形成に及ぶ成長温度の影響をラマン分光法によって調べ、図3Eに示した。金属触媒表面が750℃の温度でh-BN膜を核生成する一方、SiO/SiおよびSi/Si表面上のh-BN形成は、約900℃で起こる。ワン,L.らのMonolayer Hexagonal Boron Nitride Films with Large Domain Size and Clean Interface for Enhancing the Mobility of Graphene-Based Field-Effect Transistors.Advanced Materials 26,1559-1564,(2014)を参照されたい。これは、SiO/Si基板上への直接のナノ結晶h-BN形成に関する以前の報告と一致する。しかしながら、Si/Si表面上のh-BN成長またはメカニズムは、報告されていないが、粉末状のSi/hBN錯体に関する報告が存在する。クスノセ,T.,セキノ,T.,チョア,Y.H.およびニイハラ,K.のFabrication and Microstructure of Silicon Nitride/Boron Nitride Nanocomposites.Journal of the American Ceramic Society 85,2678-2688,(2002)を参照されたい。図3Eは、h-BN形成が800℃未満で起こらないことを示す。高いラマン強度は、より厚いh-BNを意味するので、Si/Si表面は、(BN)-ラジカルの吸着を少なくし、SiO/Si表面と比較してより薄いh-BN膜の形成を可能にする。図3Eの約1450cm-1の小さなピークは、下地基板がSi/Siであるのでシリコンの3次横光学フォノンモードを実証する。スピッツリ,P.G,,J.-H.F.,,S.R.,,E.G.およびプラワー,a.S.のNano-Raman spectroscopy of silicon surfaces,(2010)を参照されたい。さらに、SiO/SiおよびSi/Si表面上のh-BN成長速度論の差異の背後にあるメカニズムは、詳細な表面分析によって理解することができる。さらに最近の報告では、Si/Si表面が、SiO/Si表面よりも疎水性であることを説明しており、これは、SiO/Si表面が、h-BN形成に有利であり、Si/Si表面上のより薄くて平滑な膜とは対照的に、より厚いがより粗い膜を核生成することを明確に示す。アガワル,D.K.,マヘシュワリ,N.,ムケルジ,S.およびラオ,V.R.のAsymmetric immobilization of antibodies on a piezo-resistive micro-cantilever surface.RSC Advances 6,17606-17616,(2016)を参照されたい。 Experimental validation using the proposed growth model and subsequent MD simulations suggest that surface adsorption is the rate-limiting step in h-BN nucleation on Si-based dielectric surfaces. To further confirm the adsorption kinetics-induced mechanism, we designed an innovative experimental setup to grow h-BN on exposed Si and O plasma- treated Si while maintaining the same CVD conditions. As expected, higher Raman intensities imply thicker films, so O plasma treatment, in contrast to exposed Si surfaces, as evidenced by the increase in Raman intensity for the E 2g peak of h-BN. The growth rate of h-BN is higher on the annealed Si surface (Fig. 3D). Gorbachev, R. V. Hunting for Monolayer Boron Nitride: Optical and Raman Signatures. See Small 7, 465-468, (2011). Thus, the process is clearly assisted adsorption kinetics as the O2 plasma treated Si surface exhibits more active sites (Cs) compared to the bare Si surface. Furthermore, the effect of growth temperature on h-BN formation on SiO 2 /Si and Si 3 N 4 /Si surfaces was investigated by Raman spectroscopy and shown in FIG. 3E. Metal catalyst surfaces nucleate h-BN films at a temperature of 750.degree. C., while h-BN formation on SiO.sub.2 /Si and Si.sub.3N.sub.4 /Si surfaces occurs at about 900.degree. Wang, L. Monolayer Hexagonal Boron Nitride Films with Large Domain Size and Clean Interface for Enhancing the Mobility of Graphene-Based Field-Effect Transistors. See Advanced Materials 26, 1559-1564, (2014). This is consistent with previous reports of nanocrystalline h-BN formation directly on SiO 2 /Si substrates. However, no h-BN growth or mechanism on Si 3 N 4 /Si surfaces has been reported, although there are reports of powdered Si 3 N 4 /hBN complexes. Kusunose, T.; , Sekino, T.; , Choa, Y. H. and Niihara, K.; Fabrication and Microstructure of Silicon Nitride/Boron Nitride Nanocomposites. See Journal of the American Ceramic Society 85, 2678-2688, (2002). Figure 3E shows that h-BN formation does not occur below 800°C. Since high Raman intensity implies thicker h-BN, Si 3 N 4 /Si surfaces adsorb less (BN) x H y -radicals and thinner h-BN compared to SiO 2 /Si surfaces. - allows the formation of BN films; The small peak at about 1450 cm −1 in FIG. 3E demonstrates the 3rd order transverse optical phonon mode of silicon since the underlying substrate is Si 3 N 4 /Si. Spitzli, P. G., J. -H. F. , , S. R. , ,E. G. and Plower, a. S. Nano-Raman spectroscopy of silicon surfaces, (2010). Furthermore, the mechanism behind the difference in h-BN growth kinetics on SiO 2 /Si and Si 3 N 4 /Si surfaces can be understood by detailed surface analysis. A more recent report explains that the Si 3 N 4 /Si surface is more hydrophobic than the SiO 2 /Si surface, which suggests that the SiO 2 /Si surface favors h-BN formation. , clearly demonstrating that it nucleates a thicker but rougher film in contrast to a thinner and smoother film on the Si 3 N 4 /Si surface. Agarwal, D. K. , Maheshwari, N. , Mukerji, S.; and Rao, V.; R. Asymmetric immobilization of antibodies on a piezo-resistive micro-cantilever surface. See RSC Advances 6, 17606-17616, (2016).

ナノエレクトロニクスのための直接的なh-BNの可能性を試験するために、単層グラフェン(MLG)を成長させ、h-BN/Si/SiおよびSi/Si基板上に転写した。グラフェン膜上のh-BNおよびSi/Si基板の電荷不純物効果を理解するために、本発明者達は、Gバンド位置、Gバンドの半値幅(FWHM(G))、2Dバンド位置、および共焦点ラマン分光法による2DおよびGバンドの強度の比(I2D/I)のドーピング依存パラメータを分析する。ダスAらのMonitoring dopants by Raman scattering in an electrochemically top-gated graphene transistor.Nat Nano 3,210-215,(2008)を参照されたい。図4Aにおいて、h-BN上のグラフェンのGピーク(G/h-BNとして表す)およびSi/Si上のグラフェンのGピーク(G/SiNとして表す)は、それぞれ、1581.5cm-1および1586.8cm-1において支配的に中央に位置する。計算されたGバンドのFWHMは、26.5cm-1(h-BN基板)~23.6cm-1(SiN/Si基板)に減少する。さらに、図4Bにおいて、G/h-BNおよびG/SiNの2Dバンドは、それぞれ2673.3cm-1および2683.4cm-1に示されている。さらに、比I2D/Iは、G/SiNの2.3からG/h-BNの3に増加することが分かった。Gバンドおよび2Dバンドの軟化の観察は、高いI2D/Iに加えてGピークFWHMの鮮明化は、Si/Siの対応物上のグラフェンと比較して、hBN基板上のグラフェンの低荷電不純物を明確に示している。本発明者達のデバイス構成では、そのような電荷不純物は、(i)フォトレジスト残渣(後述するトランジスタデバイスの製作中)、および(ii)電子正孔パドリング(底部h-BN基板)に由来し得る。hBNおよびSi/Si基板上のデバイス製作のプロセスは同様であり、同じグラフェン膜が使用されたため、本発明者達の測定で、下地基板からの電荷供与性不純物(n*)が重要な役割を果たすことは明らかである。シュウ,J.らのScanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride.Nat Mater 10,282-285,(2011);およびジャン,Y.,ブラール,V.W.,ジリット,C,ゼットル,A.およびクロミエ,M.F.のOrigin of spatial charge inhomogeneity in graphene.NatPhys 5,722-726,(2009)を参照されたい。Gおよび2Dピークのラマンスペクトルは、グラフェンデバイスの全領域にわたって平均し、ローレンツ曲線とフィットした。 To test the potential of h-BN directly for nanoelectronics, single-layer graphene (MLG) was grown on h-BN/Si 3 N 4 /Si and Si 3 N 4 /Si substrates. transcribed. To understand the charge impurity effects of h-BN and Si 3 N 4 /Si substrates on graphene films, we used the G-band position, the full width at half maximum of the G-band (FWHM(G)), the 2D band position , and the doping-dependent parameters of the ratio of the intensities of the 2D and G bands (I 2D /I G ) by confocal Raman spectroscopy. Das A. et al., Monitoring dopants by Raman scattering in an electrochemically top-gated graphene transistor. See Nat Nano 3, 210-215, (2008). In FIG. 4A, the G peak of graphene on h-BN (denoted as G/h-BN) and the G peak of graphene on Si 3 N 4 /Si (denoted as G/SiN) are 1581.5 cm −1 , respectively . predominantly centrally located at 1 and 1586.8 cm −1 . The calculated G-band FWHM decreases from 26.5 cm −1 (h-BN substrate) to 23.6 cm −1 (Si 3 N/Si substrate). Furthermore, in FIG. 4B, the 2D bands of G/h-BN and G/SiN are shown at 2673.3 cm −1 and 2683.4 cm −1 respectively. Furthermore, the ratio I 2D /I G was found to increase from 2.3 for G/SiN to 3 for G/h-BN. Observation of the softening of the G and 2D bands indicates that the sharpening of the G-peak FWHM in addition to the high I 2D /I G is significant for graphene on hBN substrates compared to graphene on Si 3 N 4 /Si counterparts. clearly shows the low-charged impurities of In our device configuration, such charge impurities originate from (i) photoresist residue (during the fabrication of transistor devices described below) and (ii) electron-hole paddling (bottom h-BN substrate). obtain. Since the processes for device fabrication on hBN and Si3N4 /Si substrates were similar and the same graphene films were used, in our measurements the charge donating impurity (n*) from the underlying substrate is important. clearly play a role. Shu, J. Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride. Nat Mater 10, 282-285, (2011); , Brahl, V.; W. , Girit, C, Zettle, A.; and Clomie, M.; F. Origin of spatial charge inhomogeneity in graphene. See NatPhys 5, 722-726, (2009). Raman spectra of the G and 2D peaks were averaged over the entire area of the graphene device and fitted with a Lorentzian curve.

電荷の不均一性は、議論されたようにラマン散乱パラメータに影響を及ぼすだけでなく、G/h-BNおよびG/SiNヘテロ構造デバイスにおける電子の散乱の支配的原因でもある。G/h-BNバックゲート電界効果トランジスタの典型的な概略図が、挿入図におけるソースおよびドレインコンタクトとしてのCr/Au(15/95nm)を有するデバイス形状(27μm×7.5μm)の光学画像とともに図5Aに示されている。電荷のばらつきが小さいことを特徴とする本発明者達の直接成長h-BN基板プラットフォームは、高k誘電体基板(本発明者達の研究ではSi/Si)と比較して、グラフェンデバイスにおける電荷キャリア移動度の向上において競争上の利点を提供することを約束する。したがって、両方のデバイスが、同じコンタクト材料(Cr/Au)および同様のデバイス処理を用いて設計され、本発明者達は、両方のデバイスの電気的性能に対するコンタクト抵抗の同じ効果を推測することができることに留意することが重要である。図5(B)では、コンダクタンスがキャリア密度において強く非線形であることが明確に通知されており、これは、散乱が電荷不純物によって支配される低いキャリア密度と、短距離不純物散乱が名目上行われる大きなキャリア密度とのクロスオーバを示す。ノムラ,K.およびマクドナルド,A.H.のQuantum Transport of Massless Dirac Fermions.Physical Review Letters 98,076602(2007)を参照されたい。得られたデータ(図5B)は、長距離散乱および短距離散乱の両方を含む拡散輸送のための自己整合的なボルツマン方程式にフィットすることができる:

Figure 0007283707000007
Charge heterogeneity not only affects the Raman scattering parameters as discussed, but is also the dominant cause of electron scattering in G/h-BN and G/SiN heterostructure devices. A typical schematic of a G/h-BN back-gate field effect transistor with an optical image of the device geometry (27 μm×7.5 μm) with Cr/Au (15/95 nm) as source and drain contacts in the inset. It is shown in FIG. 5A. Our directly grown h-BN substrate platform, characterized by small charge variability, compared to high-k dielectric substrates (Si 3 N 4 /Si in our work), graphene It promises to provide a competitive advantage in enhancing charge carrier mobility in devices. Therefore, both devices were designed with the same contact materials (Cr/Au) and similar device processing, and we can infer the same effect of contact resistance on the electrical performance of both devices. It is important to note that you can It is clearly reported in Fig. 5(B) that the conductance is strongly nonlinear in carrier density, which is due to the low carrier density where scattering is dominated by charge impurities and the large Crossover with carrier density is shown. Nomura, K. and McDonald, A.; H. Quantum Transport of Massless Dirac Fermions. See Physical Review Letters 98, 076602 (2007). The data obtained (Fig. 5B) can be fit to a self-consistent Boltzmann equation for diffusive transport that includes both long-range and short-range scattering:
Figure 0007283707000007

式中、μは、荷電不純物クーロン(長距離)散乱による密度独立移動度であり、pは、短距離散乱からの抵抗率への寄与であり、σresは、電荷中性点での残留伝導率である。ファン,E.H.,アダム,S.およびサルマ,S.D.のCarrier Transport in Two-Dimensional Graphene Layers.Physical Review Letters 98,186806(2007)を参照されたい。図5Bの挿入図に示されているように、計算された移動度μは、G/h-BNデバイスに対して1200cm-1-1である(G/SiNの3.5倍高い)。G/h-BN系の移動度の向上は、(i)電荷中性点付近でのクーロン散乱、および(ii)高キャリア密度での電子-フォノン散乱の2つの主要なメカニズムによって解明することができる。第1のメカニズム(クーロン散乱)では、G/h-BNデバイスの最小伝導率(σmin=7e/h)は、G/SiNデバイスの3.5倍であり(σmin=2e/h)、これは、h-BN基板に位置する電荷不純物が、Si/Si基板中の約12分の1未満であることを意味している。さらに、電荷不均質性点(n*)は、クーロン散乱が支配的になる変曲点であり、逆もまた同様である。低い電荷不均質性では、G/h-BNのコンダクタンスピークは、低キャリア濃度での電子-正孔パドル形成に起因するG/SiNのコンダクタンスピークよりも狭い。したがって、対応する濃度は、図5Cに示すように対数目盛でキャリア密度(n)に対して低温伝導率(σ)をプロットすることによって推定することができる。コウト,N.J.G.らのRandom Strain Fluctuations as Dominant Disorder Source for High-Quality On-Substrate Graphene Devices.Physical Review X 4,041019(2014);およびバンジェラス,L.らのUltrahigh-mobility graphene devices from chemical vapor deposition on reusable copper.Science Advances 1,(2015)を参照されたい。本発明者達のヘテロ構造デバイスでは、1.1×1012cm-2、および1.6×1012cm-2のG/h-BNおよびG/SiNについて抽出されたn*は、それぞれ、Si/Si基板の対応物よりもh-BN基板のより均質な潜在的バックグラウンドを示す。これらの観察結果は、本発明者達のラマン分光データおよびさらに以前のいくつかの研究の結果とよく一致している。ファン,E.H.,アダム,S.およびサルマ,S.D.のCarrier Transport in Two-Dimensional Graphene Layers.Physical Review Letters 98,186806(2007)を参照されたい。本発明者達のG/hBNデバイスにおける移動度の向上での別の貢献は、電子-フォノン散乱によるものであり、これは本発明者達のサンプルにおいて著しい貢献をもたらすと推測される。カッツネルソン,M.I.およびガイム,A.KのElectron scattering on microscopic corrugations in graphene.Philosophical Transactions of the Royal Society of London A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences 366,195-204,(2008)を参照されたい。 where μ c is the density-independent mobility due to charged impurity Coulombic (long-range) scattering, p s is the resistivity contribution from short-range scattering, and σ res is the charge-neutral point is the residual conductivity. fan, E. H. , Adam, S.; and Salma, S.; D. Carrier Transport in Two-Dimensional Graphene Layers. See Physical Review Letters 98, 186806 (2007). As shown in the inset of FIG. 5B, the calculated mobility μ c is 1200 cm 2 V −1 s −1 for the G/h-BN device (3.5 times that of G/SiN). expensive). The enhanced mobility of the G/h-BN system can be elucidated by two main mechanisms: (i) Coulomb scattering near the charge neutral point and (ii) electron-phonon scattering at high carrier densities. can. In the first mechanism (Coulomb scattering), the minimum conductivity of G/h-BN devices (σ min =7e 2 /h) is 3.5 times higher than that of G/SiN devices (σ min =2e 2 /h ), which means that the charge impurities located in the h-BN substrate are about 12 times less than in the Si 3 N 4 /Si substrate. Furthermore, the charge inhomogeneity point (n*) is the inflection point where Coulomb scattering becomes dominant and vice versa. At low charge heterogeneity, the conductance peak of G/h-BN is narrower than that of G/SiN due to electron-hole puddle formation at low carrier concentrations. The corresponding concentration can therefore be estimated by plotting the low temperature conductivity (σ) against the carrier density (n) on a logarithmic scale as shown in FIG. 5C. Cout, N. J. G. Random Strain Fluctuations as Dominant Disorder Source for High-Quality On-Substrate Graphene Devices. Physical Review X 4, 041019 (2014); et al., Ultrahigh-mobility graphene devices from chemical vapor deposition on reusable copper. See Science Advances 1, (2015). In our heterostructure device, n* extracted for G/h-BN and G/SiN at 1.1×10 12 cm −2 and 1.6×10 12 cm −2 are, respectively, It shows a more homogenous potential background of h-BN substrate than Si 3 N 4 /Si substrate counterpart. These observations are in good agreement with our Raman spectroscopy data and the results of some previous studies. fan, E. H. , Adam, S.; and Salma, S.; D. Carrier Transport in Two-Dimensional Graphene Layers. See Physical Review Letters 98, 186806 (2007). Another contribution to the mobility enhancement in our G/hBN device is due to electron-phonon scattering, which is assumed to be a significant contribution in our sample. Katznelson, M. I. and Geim, A.; K, Electron scattering on microscopic corruptions in graphene. See Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 366, 195-204, (2008).

図5Cの挿入図において、短距離抵抗率(p)は、G/h-BNおよびG/SiNについて、それぞれ600Ω/sqおよび1800Ω/sqとなるように計算される。短距離抵抗率の起源は、依然として議論の対象であるが、本発明者達のサンプルでは、例えば:(i)グラフェン膜の格子欠陥または点欠陥、(ii)グラフェンのリップル内部で励起される屈曲(平面外)フォノン、および(iii)下地基板の表面極性光学フォノンの要因に起因すると予想される。モロゾフ,S.V.らのGiant Intrinsic Carrier Mobilities in Graphene and Its Bilayer.Physical Review Letters 100,016602(2008);イシガミ,M.,チェン,J H.,カレン,W.G,フーラー,M.S.およびウィリアムズ,E.D.のAtomic Structure of Graphene on SiO2.Nano Letters 7,1643-1648,(2007);ならびにファン,E.H.およびダス・サルマ,S.のAcoustic phonon scattering limited carrier mobility in two-dimensional extrinsic graphene.Physical Review B 77,115449(2008)を参照されたい。第1の要因は、本発明者達のラマンデータがh-BNおよびSi上の高品質の転写されたグラフェンを示すため、無視できる効果があると推測される。一方、図2Cに示すように、平滑なh-BN基板は、G/SiNデバイスにおけるグラフェンリップルの密度がより低いことを意味し、したがって、h-BNは、活性化された屈曲フォノン-グラフェン電子散乱を抑制する。ファン,E.H.およびダス・サルマ,S.のAcoustic phonon scattering limited carrier mobility in two-dimensional extrinsic graphene.Physical Review B 77,115449(2008);ならびにルイ,C.H.,リュウ,L.,マク,K.F.,フリン,G.W.およびハインツ,T.F.のUltraflat graphene.Nature 462,339-341,(2009)を参照されたい。さらに、h-BNの表面光学フォノンモードは、Si/Siにおける同様のモードよりも2倍のエネルギーを有し、これは、グラフェンチャネルにおけるフォノン散乱が小さいことを示唆している。本サンプルでは、クリーナー基板にもかかわらず、G/h-BNヘテロ構造のディラックポイントが、この現象をさらに理解する必要があるG/SiNデバイスのディラックポイントと同様の値(約9V)を有することに留意されたい。 In the inset of FIG. 5C, the short-range resistivity (p s ) is calculated to be 600 Ω/sq and 1800 Ω/sq for G/h-BN and G/SiN, respectively. The origin of the short-range resistivity is still a matter of debate, but in our samples, for example: (i) lattice or point defects in graphene films, (ii) bending excited inside graphene ripples (out-of-plane) phonons, and (iii) surface-polarized optical phonons of the underlying substrate. Morozov, S. V. Giant Intrinsic Carrier Mobilities in Graphene and Its Bilayer. Physical Review Letters 100, 016602 (2008); Ishigami, M.; , Chen, JH. , Karen, W.; G, Fuller, M.; S. and Williams, E. D. Atomic Structure of Graphene on SiO2. Nano Letters 7, 1643-1648, (2007); H. and Das Salma, S.M. Acoustic phonon scattering limited carrier mobility in two-dimensional extrinsic graphene. See Physical Review B 77, 115449 (2008). The first factor is speculated to have negligible effect as our Raman data show high quality transferred graphene on h-BN and Si 3 N 4 . On the other hand, a smooth h-BN substrate implies a lower density of graphene ripples in the G/SiN device, as shown in FIG. Suppress scattering. fan, E. H. and Das Salma, S.M. Acoustic phonon scattering limited carrier mobility in two-dimensional extrinsic graphene. Physical Review B 77, 115449 (2008); and Louis, C.; H. , Liu, L.; , Mak, K. F. , Flynn, G.; W. and Heinz, T.; F. Ultraflat graphene. See Nature 462, 339-341, (2009). Moreover, the surface optical phonon modes of h-BN have twice the energy of similar modes in Si 3 N 4 /Si, suggesting less phonon scattering in the graphene channel. In this sample, despite the cleaner substrate, the Dirac point of the G/h-BN heterostructure has a similar value (~9 V) to that of the G/SiN device, which needs further understanding of this phenomenon. Please note.

低温(T=15K、赤色曲線)および室温(T=300K、黒色曲線)での印加バックゲート電圧(VBG-V)に対するG/h-BNデバイスのシート抵抗率の温度依存性を図5Dに示す。ジャン,Y.,メンデス,E.E.およびデュ,X.のMobility-Dependent Low-Frequency Noise in Graphene Field-Effect Transistors.ACS Nano 5,8124-8130,(2011)を参照されたい。低密度領域では温度が上昇するにつれて、n<|n*|、G/hBNデバイスは、非金属挙動(dρ/dt<0)を示し、高密度領域では、n>|n*|、デバイスは、明白に金属製である(dρ/dt>0)。ホ,J.らのNonmonotonic temperature dependent transport in graphene grown by chemical vapor deposition.Physical Review B 84,035421(2011);ならびにボロティン,K.I.,サイクス,K.J.,ホン,J.,ストーマー,H.L.およびキム,P.のTemperature-Dependent Transport in Suspended Graphene.Physical Review Letters 101,096802(2008)を参照されたい。 Temperature dependence of sheet resistivity of G/h-BN devices on applied back gate voltage (V BG −V D ) at low temperature (T=15 K, red curve) and room temperature (T=300 K, black curve) is shown in FIG. 5D. shown in Jan, Y. , Mendez, E. E. and Du, X. Mobility-Dependent Low-Frequency Noise in Graphene Field-Effect Transistors. See ACS Nano 5, 8124-8130, (2011). With increasing temperature in the low density region, n<|n*|, the G/hBN device exhibits non-metallic behavior (dρ/dt<0), and in the high density region, n>|n*|, the device , is distinctly metallic (dρ/dt>0). Ho, J. Nonmonotonic temperature dependent transport in graphene grown by chemical vapor deposition. Physical Review B 84, 035421 (2011); I. , Sykes, K.; J. , Hong, J. , Stormer, H.; L. and Kim, P.S. in Temperature-Dependent Transport in Suspended Graphene. See Physical Review Letters 101, 096802 (2008).

高密度領域でのグラフェンのシート抵抗の増加は、縦音響フォノン散乱に起因する:

Figure 0007283707000008
The increase in sheet resistance of graphene in dense regions is attributed to longitudinal acoustic phonon scattering:

Figure 0007283707000008

ここで、pは、グラフェンの質量密度(7.6×10-7kg.m-2)、Vjは、フェルミ速度(1×10ms-1)、vは、縦音響フォノン速度(2×10ms-1)、およびDは、音響変形電位である。電子および正孔側の線形フィットは、それぞれ39eVおよび19eVとなるDを提供する。所見は、以前の調査とよく一致している。ボロティン,K.I.,サイクス,K.J.,ホン,J.,ストーマー,H.L.およびキム,P.のTemperature-Dependent Transport in Suspended Graphene.Physical Review Letters 101,096802(2008);チェン,J.-H.,ジャン,C,シャオ,S.,イシガミ,M.およびフハーラー,M.S.のIntrinsic and extrinsic performance limits of graphene devices on SiO2.Nat Nano 3,206-209,(2008);ならびにイゲン,S.,タヤリ,V.,アイランド,.O.,ポーター,J.M.およびシャンペイン,A.R.のElectronic thermal conductivity measurements in intrinsic graphene.Physical Review B 87,241411(2013)を参照されたい。 where p s is the mass density of graphene (7.6×10 −7 kg.m −2 ), Vj is the Fermi velocity (1×10 6 ms −1 ), and v s is the longitudinal acoustic phonon velocity ( 2×10 4 ms −1 ), and D A is the acoustic deformation potential. A linear fit on the electron and hole sides gives a D A of 39 eV and 19 eV, respectively. The findings are in good agreement with previous studies. Bolotin, K. I. , Sykes, K.; J. , Hong, J. , Stormer, H.; L. and Kim, P.S. in Temperature-Dependent Transport in Suspended Graphene. Physical Review Letters 101, 096802 (2008); Chen, J.; -H. , Zhang, C, Xiao, S.; , Ishigami, M.; and Fuhaler, M.; S. Intrinsic and extrinsic performance limits of graphene devices on SiO2. Nat Nano 3, 206-209, (2008); , Tayari, V.; , island, . O. , Porter, J.; M. and Champaign, A.; R. Electronic thermal conductivity measurements in intrinsic graphene. See Physical Review B 87, 241411 (2013).

また、挿入図は、(VBGおよびVDS)の関数としてのG/h-BNコンダクタンスを示す-G/h-BNデバイスのIonoff比は、-5.5であり、本発明者達のh-BN基板を大規模なグラフェンおよび他の2DNsエレクトロニクスに適用可能にする。電界効果移動度は、ドルーデ式、
μFΕ

Figure 0007283707000009
の導関数として定義されることが文献から周知されている。G/h-BN(G/SiN)デバイスの場合、μFΕは、高密度で500CdVBGcm-1-1(250cm-1-1)から1300cm-1-1(350cm-1-1)近くの電荷中性点に変化する。これは、図5Eに示すように、全体の密度領域にわたってSi/Si基板と比較して、h-BN基板上のグラフェンの移動度の向上をさらに確認する。
III.触媒金属層の堆積 The inset also shows the G/h-BN conductance as a function of (V BG and V DS )—the I on I off ratio of the G/h-BN device is −5.5, which we making our h-BN substrates applicable to large-scale graphene and other 2DNs electronics. The field-effect mobility is calculated according to the Drude equation,
μFε =
Figure 0007283707000009
It is well known from the literature to be defined as the derivative of For G/h-BN (G/SiN) devices, μ ranged from 500 CdV BG cm 2 V −1 s −1 (250 cm 2 V −1 s −1 ) to 1300 cm 2 V −1 s −1 at high density. (350 cm 2 V −1 s −1 ) near the charge neutral point. This further confirms the enhanced mobility of graphene on h-BN substrates compared to Si 3 N 4 /Si substrates over the entire density region, as shown in FIG. 5E.
III. Deposition of catalytic metal layer

図1Dを参照すると、本発明の方法によれば、六方晶窒化ホウ素を含む層300を単結晶半導体基板の前面または誘電体層200の前面上に直接堆積した後、六方晶窒化ホウ素を含む層300および任意の誘電体層200を含む基板100は、多層構造上のグラフェンのその後の成長のために触媒金属層400を堆積するように処理されてもよい。いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、六方晶窒化ホウ素を含む層300全体にわたって堆積されてもよい。いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、例えば、主要表面の総面積の少なくとも約10%、または全面積の少なくとも約25%、または総面積の少なくとも約50%、または総面積の少なくとも約75%の六方晶窒化ホウ素を含む層300の一部の上に堆積されてもよい。いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、六方晶窒化ホウ素を含む層300全体にわたって堆積され、その後、従来のリソグラフィー技術を使用して金属を選択的に除去することによって、基板の主表面上に所望のパターンの金属堆積を残してもよい。本明細書において、触媒金属層400の表面は、「前面金属層表面」および「裏面金属層表面」と呼んでもよい。本明細書において、裏面金属層表面は、六方晶窒化ホウ素を含む層300と接触している。バルク金属領域は、前面金属膜表面と裏面金属膜表面との間にある。 Referring to FIG. 1D, according to the method of the present invention, after depositing a layer 300 comprising hexagonal boron nitride directly on the front surface of the single crystal semiconductor substrate or the front surface of the dielectric layer 200, the layer comprising hexagonal boron nitride is deposited. Substrate 100, including 300 and optional dielectric layer 200, may be processed to deposit a catalytic metal layer 400 for subsequent growth of graphene on the multilayer structure. In some embodiments, catalytic metal layer 400 may be deposited over layer 300 comprising hexagonal boron nitride. In some embodiments, the catalytic metal layer 400 comprises, for example, at least about 10% of the total area of the major surfaces, or at least about 25% of the total area, or at least about 50% of the total area, or at least about 50% of the total area. It may be deposited over a portion of layer 300 comprising 75% hexagonal boron nitride. In some embodiments, the catalytic metal layer 400 is deposited over the layer 300 comprising hexagonal boron nitride, followed by selective removal of the metal using conventional lithographic techniques to etch the major surfaces of the substrate. A desired pattern of metal deposition may be left on top. The surfaces of the catalytic metal layer 400 may be referred to herein as the "front metal layer surface" and the "back metal layer surface." Here, the back metal layer surface is in contact with the layer 300 containing hexagonal boron nitride. The bulk metal region is between the front metal film surface and the back metal film surface.

本発明に好適な金属としては、ニッケル、銅、鉄、白金、パラジウム、ルテニウム、コバルト、アルミニウム、およびそれらの合金が挙げられる。いくつかの好ましい実施形態では、触媒金属層400は、ニッケルを含む。いくつかの好ましい実施形態では、触媒金属層400は、コバルトを含む。いくつかの好ましい実施形態では、触媒金属層400は、ニッケルおよびコバルト、例えばニッケルとコバルトとの合金を含む。いくつかの好ましい実施形態では、触媒金属層400は、銅を含む。触媒金属層400は、スパッタリング、熱蒸発、イオンビーム蒸着、化学蒸着、電解めっき、および金属箔ボンディングを含む当技術分野で既知の技術によって堆積させてもよい。いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、例えば、スパッタリングおよび金属蒸発ユニットを使用するスパッタリングまたは蒸着によって堆積される。電解金属めっきは、スプリヤ,L;クラウス,R.O.のSolution-Based Assembly of Conductive Gold Film on Flexible Polymer Substrates:Langmuir 2004,20,8870-8876に記載される方法に従って起こり得る。いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、比較的低い温度、例えば約100℃~約300℃、例えば約200℃での化学蒸着によって堆積されてもよい。好ましくは、金属膜は、約50ナノメートル~約20マイクロメートル厚、例えば約50ナノメートル~約10マイクロメートル厚、例えば約50ナノメートル~約1000ナノメートル、例えば約100ナノメートル~約500ナノメートル、例えば約100ナノメートル~約400ナノメートル、例えば約300ナノメートルまたは約500ナノメートルである。 Metals suitable for the present invention include nickel, copper, iron, platinum, palladium, ruthenium, cobalt, aluminum, and alloys thereof. In some preferred embodiments, catalytic metal layer 400 comprises nickel. In some preferred embodiments, catalytic metal layer 400 comprises cobalt. In some preferred embodiments, catalytic metal layer 400 comprises nickel and cobalt, such as an alloy of nickel and cobalt. In some preferred embodiments, catalytic metal layer 400 comprises copper. Catalytic metal layer 400 may be deposited by techniques known in the art, including sputtering, thermal evaporation, ion beam deposition, chemical vapor deposition, electroplating, and metal foil bonding. In some embodiments, catalytic metal layer 400 is deposited by sputtering or evaporation using, for example, a sputtering and metal evaporation unit. Electrolytic metal plating is described in Supriya, L; O. Solution-Based Assembly of Conductive Gold Film on Flexible Polymer Substrates: Langmuir 2004, 20, 8870-8876. In some embodiments, catalytic metal layer 400 may be deposited by chemical vapor deposition at a relatively low temperature, eg, about 100°C to about 300°C, eg, about 200°C. Preferably, the metal film is about 50 nanometers to about 20 micrometers thick, such as about 50 nanometers to about 10 micrometers thick, such as about 50 nanometers to about 1000 nanometers, such as about 100 nanometers to about 500 nanometers thick. meters, such as from about 100 nanometers to about 400 nanometers, such as about 300 nanometers or about 500 nanometers.

いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、高温(すなわち、一般に500℃超、または800℃超、例えば約1000℃)で炭素に対する溶解度が比較的高い金属を含んでもよく、これは、グラフェン層工程中の炭素の拡散を可能にする。内部拡散の温度での高溶解度金属膜には、ニッケル、鉄、パラジウム、およびコバルトが含まれる。いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、1000℃で少なくとも約0.05原子%、好ましくは1000℃で少なくとも約0.10原子%、さらにより好ましくは1000℃で少なくとも約0.15原子%の炭素溶解度を有する金属を含む。いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、1000℃で約3原子%未満、好ましくは1000℃で約2原子%未満の炭素溶解度を有する金属を含む。例えば、いくつかの好ましい実施形態では、触媒金属層400は、1000℃で約0.2原子%の炭素溶解度を有するニッケルを含み、ニッケルが金属膜であるときの炭素の内部拡散のためのチャンバ温度である。いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、鉄を含み、これは、鉄が金属膜であるときの炭素の内部拡散のためのチャンバ温度である800℃で約0.02原子%の炭素溶解度を有する。いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、コバルトを含み、これは、コバルトが金属膜であるときの炭素の内部拡散のためのチャンバ温度である1000℃で約1.6原子%の炭素溶解度を有する。 In some embodiments, catalytic metal layer 400 may comprise a metal that has relatively high solubility in carbon at high temperatures (i.e., generally above 500° C., or above 800° C., such as about 1000° C.), which is graphene Allows diffusion of carbon during the layering process. Highly soluble metal films at the temperature of interdiffusion include nickel, iron, palladium, and cobalt. In some embodiments, the catalytic metal layer 400 is at least about 0.05 atomic percent at 1000 degrees Celsius, preferably at least about 0.10 atomic percent at 1000 degrees Celsius, and even more preferably at least about 0.15 atomic percent at 1000 degrees Celsius. % carbon solubility. In some embodiments, catalytic metal layer 400 comprises a metal having a carbon solubility of less than about 3 atomic percent at 1000 degrees Celsius, preferably less than about 2 atomic percent at 1000 degrees Celsius. For example, in some preferred embodiments, the catalytic metal layer 400 comprises nickel with a carbon solubility of about 0.2 atomic percent at 1000° C., providing a chamber for carbon inter-diffusion when nickel is the metal film. temperature. In some embodiments, the catalytic metal layer 400 comprises iron, which is about 0.02 atomic percent carbon at 800° C., which is the chamber temperature for carbon interdiffusion when iron is the metal film. have solubility. In some embodiments, the catalytic metal layer 400 comprises cobalt, which is about 1.6 atomic percent carbon at 1000° C., which is the chamber temperature for carbon in-diffusion when cobalt is the metal film. have solubility.

いくつかの実施形態では、触媒金属層400は、高温(すなわち、一般に500℃超、または800℃超、例えば約1000℃)でさえ、低いまたは実質的にゼロの溶解度のホウ素、窒素、および炭素を有する金属を含んでもよい。低溶解度金属膜には、銅、白金、およびルテニウムが含まれる。例えば、炭素溶解度は、500℃超、また800℃超、例えば1000℃の温度で、銅において事実上ゼロである。内部拡散工程中に、ガス状の原子、例えば炭素は、金属粒子、例えば銅粒子の間のバルク金属領域中に内部拡散する。触媒金属層400のための金属として銅が選択されると、炭素含有ガスまたは炭素含有ポリマーは、銅上の水素によって分解される。グラフェンへの炭素-炭素結合形成は、銅表面上で触媒される。 In some embodiments, the catalytic metal layer 400 comprises boron, nitrogen, and carbon with low or substantially zero solubility even at high temperatures (i.e., generally above 500° C., or above 800° C., such as about 1000° C.). may include metals having Low-solubility metal films include copper, platinum, and ruthenium. For example, carbon solubility is virtually zero in copper at temperatures above 500°C and above 800°C, such as 1000°C. During the inter-diffusion process, gaseous atoms, such as carbon, inter-diffuse into the bulk metal regions between metal particles, such as copper particles. If copper is chosen as the metal for the catalytic metal layer 400, the carbon-containing gas or carbon-containing polymer will be decomposed by the hydrogen on the copper. Carbon-carbon bond formation to graphene is catalyzed on the copper surface.

触媒金属層400の堆積後、多層構造を洗浄してもよい。多層構造は、単結晶半導体ウエハ基板100、誘電体層200、六方晶窒化ホウ素を含む層300、および触媒金属層400を含む。いくつかの好ましい実施形態では、還元性雰囲気において真空炉内で構造を加熱することによって多層構造を洗浄してもよい。高真空下でのベーキングのみが実施される場合、化学蒸着システムを使用してもよい。好ましい実施形態では、還元性雰囲気は、水素ガスまたは他の還元性ガスを含む。アルゴンまたはヘリウムなどの不活性キャリアガスを使用してもよい。好ましい実施形態では、還元性雰囲気への曝露中の温度は、好ましくは約800℃~約1200℃、例えば約1000℃である。圧力は、好ましくは約100Pa未満(1トル未満)、好ましくは約1Pa未満(0.01トル未満)、さらにより好ましくは約0.1Pa未満(0.001トル未満)、さらにより好ましくは約0.01Pa未満(0.0001トル未満)の準大気圧である。洗浄アニールは、金属膜の粒径を調整することができ、例えば、高温で粒径を増加させてもよい。
IV.グラフェン層の堆積
After deposition of the catalytic metal layer 400, the multi-layer structure may be cleaned. The multilayer structure includes a single crystal semiconductor wafer substrate 100 , a dielectric layer 200 , a layer 300 comprising hexagonal boron nitride, and a catalytic metal layer 400 . In some preferred embodiments, the multilayer structure may be cleaned by heating the structure in a vacuum furnace in a reducing atmosphere. A chemical vapor deposition system may be used if only baking under high vacuum is performed. In preferred embodiments, the reducing atmosphere comprises hydrogen gas or other reducing gas. An inert carrier gas such as argon or helium may be used. In preferred embodiments, the temperature during exposure to the reducing atmosphere is preferably from about 800°C to about 1200°C, eg about 1000°C. The pressure is preferably less than about 100 Pa (less than 1 Torr), preferably less than about 1 Pa (less than 0.01 Torr), even more preferably less than about 0.1 Pa (less than 0.001 Torr), even more preferably about 0 Sub-atmospheric pressure of less than 0.01 Pa (less than 0.0001 Torr). The cleaning anneal can adjust the grain size of the metal film, eg, it may increase the grain size at elevated temperatures.
IV. Deposition of graphene layers

本発明の方法のいくつかの実施形態によれば、触媒金属層400を堆積した後、多層構造を処理してグラフェンの層を堆積させる。 After depositing the catalytic metal layer 400, the multilayer structure is treated to deposit a layer of graphene, according to some embodiments of the method of the present invention.

いくつかの実施形態では、還元性雰囲気中で構造を洗浄してもよい。いくつかの好ましい実施形態では、還元性雰囲気において真空炉内で構造を加熱することによって多層構造を洗浄してもよい。高真空下でのベーキングのみが実施される場合、化学蒸着システムを使用してもよい。好ましい実施形態では、還元性雰囲気は、水素ガスまたは他の還元性ガスを含む。アルゴンまたはヘリウムなどの不活性キャリアガスを使用してもよい。雰囲気は、好ましくは還元性雰囲気であり、約1%~約99%の水素、例えば約70%~約99%の水素、好ましくは約95%の水素、残部は、不活性ガスを含んでもよい。好ましい実施形態では、還元性雰囲気への曝露中の温度は、好ましくは約800℃~約1200℃、例えば約1000℃である。圧力は、好ましくは約10000Pa未満(100トル未満)、好ましくは約1000Pa未満(1トル未満)、好ましくは約1Pa未満(0.01トル未満)、さらにより好ましくは約0.1Pa未満(0.001トル未満)、さらにより好ましくは約0.01Pa未満(0.0001トル未満)の準大気圧である。洗浄アニールは、金属膜の粒径を調整することができ、例えば、高温で粒径を増加させてもよい。 In some embodiments, the structure may be cleaned in a reducing atmosphere. In some preferred embodiments, the multilayer structure may be cleaned by heating the structure in a vacuum furnace in a reducing atmosphere. A chemical vapor deposition system may be used if only baking under high vacuum is performed. In preferred embodiments, the reducing atmosphere comprises hydrogen gas or other reducing gas. An inert carrier gas such as argon or helium may be used. The atmosphere is preferably a reducing atmosphere and may contain about 1% to about 99% hydrogen, such as about 70% to about 99% hydrogen, preferably about 95% hydrogen, the balance being inert gas. . In preferred embodiments, the temperature during exposure to the reducing atmosphere is preferably from about 800°C to about 1200°C, eg about 1000°C. The pressure is preferably less than about 10000 Pa (less than 100 torr), preferably less than about 1000 Pa (less than 1 torr), preferably less than about 1 Pa (less than 0.01 torr), even more preferably less than about 0.1 Pa (0.01 torr). 001 torr), even more preferably less than about 0.01 Pa (less than 0.0001 torr). The cleaning anneal can adjust the grain size of the metal film, eg, it may increase the grain size at elevated temperatures.

本発明の方法のいくつかの実施形態によれば、多層構造は、炭素源に曝露され得、それによって原子状炭素が金属膜のバルク領域に拡散する。原子状炭素は、炭素に対する溶解度が高い金属、例えばニッケルを含む金属膜に可溶化されてもよく、炭素に対する溶解度が低い金属、例えば銅を含む金属膜の金属粒子間を移動してもよい。いくつかの実施形態では、炭素含有ガスまたは炭素含有蒸気流を還元性ガス流に添加してもよい。炭素含有ガスは、揮発性炭化水素、例えばメタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、プロピン、ブタン、イソブタン、ブチレン、ブチンなどのなかから選択されてもよい。炭素含有蒸気は、液体炭化水素、例えば、シクロヘキサン、ベンゼン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどから選択されてもよい。これらの炭化水素ガスまたは液体は、飽和炭化水素または非飽和炭化水素であり得ることに留意されたい。炭素含有ガス、例えばメタンは、本発明のプロセスに従ってグラフェン中に析出し得る炭素源である。雰囲気は、還元性雰囲気であってもよく、さらに水素などの還元性ガスを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ガスは、メタンガスおよび水素ガスを、約1:1~約200:1、例えば約1:1~約100:1、例えば約144:15の比で含んでもよい。炭素吸収および/または吸着中の最低温度は、一般に少なくとも約500℃である。炭素吸収および/または吸着中の最高温度は、一般に約1100℃以下である。一般に、温度は、好ましくは約700℃~約1000℃である。一般に、水素ガス/メタン流中の反応チャンバ内の圧力は、約10Pa(約0.1トル)~約1500Pa(約100トル)、例えば約50P(約0.4トル)~約150Pa(約1トル)である。 According to some embodiments of the method of the present invention, the multilayer structure may be exposed to a carbon source, whereby atomic carbon diffuses into the bulk region of the metal film. Atomic carbon may be solubilized in metal films containing metals with high carbon solubility, such as nickel, and may migrate between metal particles in metal films containing metals with low carbon solubility, such as copper. In some embodiments, a carbon-containing gas or carbon-containing vapor stream may be added to the reducing gas stream. Carbon-containing gases may be selected among volatile hydrocarbons such as methane, ethane, ethylene, acetylene, propane, propylene, propyne, butane, isobutane, butylene, butyne, and the like. Carbon-containing vapors may be selected from liquid hydrocarbons such as cyclohexane, benzene, pentane, hexane, heptane, and the like. Note that these hydrocarbon gases or liquids can be saturated or unsaturated hydrocarbons. A carbon-containing gas, such as methane, is a carbon source that can be deposited into graphene according to the process of the present invention. The atmosphere may be a reducing atmosphere and may further contain a reducing gas such as hydrogen. In some embodiments, the gas may comprise methane gas and hydrogen gas in a ratio of about 1:1 to about 200:1, such as about 1:1 to about 100:1, such as about 144:15. The minimum temperature during carbon absorption and/or adsorption is generally at least about 500°C. The maximum temperature during carbon absorption and/or adsorption is generally below about 1100°C. Generally, the temperature is preferably from about 700°C to about 1000°C. Generally, the pressure within the reaction chamber in the hydrogen gas/methane stream is from about 0.1 torr to about 100 torr, such as from about 0.4 torr to about 150 torr. toll).

必要に応じて、好ましくは、十分な炭素が金属膜のバルク領域に内部拡散した後、ガスの流れを停止し、多層は、炭素が金属膜のバルク領域全体に分散するのに十分な期間の間、内部拡散の温度で保持される。所望の数の単原子厚のグラフェン層を有する生成物を生成するための炭素の内部拡散の適正な期間は、最終生成物中の分離されたグラフェンの層の数が、炭素の内部拡散期間の関数である較正曲線を作成することによって決定されてもよい。較正曲線は、単一の単原子厚のグラフェン層または複数の単原子厚のグラフェン層を生成するのに十分な理想的な炭素内部拡散期間を決定するために使用されてもよい。炭素含有ガスの流れが停止された後の平衡の期間は、約600秒~約1800秒などの約5秒~約3600秒の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、炭素の拡散における期間は、非常に短く、例えば約10秒である。金属が十分な濃度の炭素を吸収した後、多層構造を冷却することによって、冷却中にグラフェンを分離して析出させる。 Optionally, and preferably after sufficient carbon has interdiffused into the bulk region of the metal film, the gas flow is stopped and the multiple layers are held for a period of time sufficient for the carbon to diffuse throughout the bulk region of the metal film. while being held at the temperature of the internal diffusion. The proper duration of carbon interdiffusion to produce a product with the desired number of monoatom-thick graphene layers is determined by the number of separated graphene layers in the final product, given the length of the carbon interdiffusion period. It may be determined by constructing a calibration curve that is a function. The calibration curve may be used to determine the ideal carbon interdiffusion period sufficient to produce a single monoatom thick graphene layer or multiple monoatom thick graphene layers. The period of equilibrium after the flow of carbon-containing gas is stopped can range from about 5 seconds to about 3600 seconds, such as from about 600 seconds to about 1800 seconds. In some embodiments, the duration of carbon diffusion is very short, eg, about 10 seconds. After the metal has absorbed a sufficient concentration of carbon, the multilayer structure is cooled, causing the graphene to separate and precipitate during cooling.

いくつかの実施形態では、炭素含有ガスもしくは蒸気に加えて、または炭素含有物に代わるものとして、炭素含有自己組織化単層および/または炭素リッチポリマーのいずれかとしての固体形態で炭素を提供してもよい。本明細書では、炭化水素含有部分は、加熱サイクル中に前またはその後に適用された金属膜中に内部拡散するか、またはグラフェン(もしくはドープされたグラフェン)に分解する炭素源(またはBおよび/もしくはN)として作用し、金属膜は、炭素の溶解度が低いまたは実質的にゼロの金属を含む。炭化水素は、半導体基板の前面層に堆積した窒化ホウ素の介在層上にグラフェン形成のための炭素源を提供する。 In some embodiments, carbon is provided in solid form either as a carbon-containing self-assembled monolayer and/or a carbon-rich polymer in addition to the carbon-containing gas or vapor, or as an alternative to carbon inclusions. may Herein, the hydrocarbon-containing moieties are carbon sources (or B and/or or N), the metal film comprises a metal with low or substantially zero carbon solubility. The hydrocarbon provides a carbon source for graphene formation on the intervening layer of boron nitride deposited on the front layer of the semiconductor substrate.

一般に、多種多様な炭素含有ポリマーが好適である。いくつかの実施形態では、炭素リッチなポリマーは、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリ(アクリロニトリル-コ-ブタジエン-コ-スチレン)(ABS)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(4’-ビニルヘキサフェニルベンゼン)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されてもよい。いくつかの実施形態では、ポリマーまたは炭素含有膜は、窒素ドープされたまたはホウ素ドープされたグラフェンシートを製造するために、窒素またはホウ素を含有してもよい。本発明に好適な窒素含有ポリマーには、メラミンホルムアルデヒド、ポリアクリロニトリル、ポリ(2,5-ピリジン)、ポリピロール、ポリカルバゾール、ポリアニリン、およびそれらの組み合わせが含まれる。ホウ素ドーピングは、ホウ素アルコール(非ポリマー)を含む炭素含有層を調製することによって、またはBoramer(商標)を堆積することによって達成されてもよい。 Generally, a wide variety of carbon-containing polymers are suitable. In some embodiments, the carbon-rich polymer is polymethylmethacrylate (PMMA), polybutadiene, polystyrene, poly(acrylonitrile-co-butadiene-co-styrene) (ABS), polyethylene, polypropylene, poly(4'-vinyl hexaphenylbenzene), and combinations thereof. In some embodiments, the polymer or carbon-containing film may contain nitrogen or boron to produce nitrogen-doped or boron-doped graphene sheets. Nitrogen-containing polymers suitable for the present invention include melamine formaldehyde, polyacrylonitrile, poly(2,5-pyridine), polypyrrole, polycarbazole, polyaniline, and combinations thereof. Boron doping may be accomplished by preparing a carbon-containing layer with a boron alcohol (non-polymer) or by depositing Boramer™.

炭素リッチポリマーは、ポリマー含有溶液からのポリマー膜で基板をスピンコートすることによって堆積させてもよい。他の好適な堆積方法は、噴霧コーティングおよび電気化学堆積を含む。スピンコーティング溶液に好適な溶媒としては、トルエン、ヘキサン、キシレン、ペンタン、シクロヘキサン、ベンゼン、クロロホルムが挙げられる。ポリマー濃度は、一般に約0.01重量%~約1重量%、約0.05重量%~約0.5重量%、例えば約0.1重量%である。 Carbon-rich polymers may be deposited by spin-coating a substrate with a polymer film from a polymer-containing solution. Other suitable deposition methods include spray coating and electrochemical deposition. Suitable solvents for spin coating solutions include toluene, hexane, xylene, pentane, cyclohexane, benzene, chloroform. The polymer concentration is generally from about 0.01 wt% to about 1 wt%, from about 0.05 wt% to about 0.5 wt%, such as about 0.1 wt%.

炭素リッチポリマー層は、約1ナノメートル~約100ナノメートル厚、例えば約5ナノメートル~約100ナノメートル厚、好ましくは約10ナノメートル~約50ナノメートル厚に堆積されてもよい。いくつかの実施形態では、炭素リッチポリマー層は、約1ナノメートル~約10ナノメートルの厚さに堆積されてもよい。 The carbon-rich polymer layer may be deposited from about 1 nanometer to about 100 nanometers thick, such as from about 5 nanometers to about 100 nanometers thick, preferably from about 10 nanometers to about 50 nanometers thick. In some embodiments, the carbon-rich polymer layer may be deposited to a thickness of about 1 nanometer to about 10 nanometers.

炭素の内部拡散中の温度は、ニッケルについて約500℃~約1000℃、例えば約700℃~約1000℃、例えば約800℃~約1000℃の範囲であってもよい。金属が十分な濃度の炭素を吸収した後、多層構造を冷却することによって、冷却中にグラフェンを分離して析出させる。 The temperature during carbon in-diffusion may range from about 500° C. to about 1000° C., such as from about 700° C. to about 1000° C., such as from about 800° C. to about 1000° C. for nickel. After the metal has absorbed a sufficient concentration of carbon, the multilayer structure is cooled, causing the graphene to separate and precipitate during cooling.

その後、多層構造を急冷する。多層構造を冷却することにより、金属膜のバルク領域内の炭素の溶解度が低下し、炭素が金属膜から分離し、窒化ホウ素層と金属膜の裏面との間にグラフェンが析出する。冷却速度は、少なくとも約10℃/分、少なくとも約50℃/分、少なくとも約100℃/分であり得る。一般に、冷却中の反応チャンバ内の圧力は、約10Pa(約0.1トル)~約1500Pa(約100トル)、例えば約50P(約0.4トル)~約150Pa(約1トル)である。雰囲気は、好ましくは還元性雰囲気であり、約1%~約99%の水素、例えば約70%~約99%の水素、好ましくは約95%の水素、残部は、不活性ガスを含んでもよい。高温成長および急速冷却は、グラフェン核が同じ方向に優先的に互いに付着して、広い被覆率、高品質の単層グラフェンのエピタキシャル成長をもたらすように、析出および表面核生成を速く向上させる。 The multilayer structure is then quenched. Cooling the multilayer structure reduces the solubility of carbon in the bulk region of the metal film, causing the carbon to separate from the metal film and deposit graphene between the boron nitride layer and the backside of the metal film. The cooling rate can be at least about 10°C/min, at least about 50°C/min, at least about 100°C/min. Generally, the pressure in the reaction chamber during cooling is from about 0.1 torr to about 100 torr, such as from about 0.4 torr to about 150 torr. . The atmosphere is preferably a reducing atmosphere and may contain about 1% to about 99% hydrogen, such as about 70% to about 99% hydrogen, preferably about 95% hydrogen, the balance being inert gas. . High temperature growth and rapid cooling rapidly enhance precipitation and surface nucleation such that the graphene nuclei preferentially attach to each other in the same direction, resulting in epitaxial growth of broad coverage, high quality single-layer graphene.

金属中の炭素の溶解度が低いまたはゼロ(例えば、銅)である実施形態では、本発明の方法は、グラフェンの単層を有利に生じる。グラフェン形成が金属膜への炭素の可溶化、続いてグラフェン(例えばニッケル、コバルト)の分離および析出に依存する実施形態では、本発明の方法は、炭素の吸収量および析出量を制御して、製造されるグラフェン層の数を制御する必要がある。いくつかの実施形態では、本発明の方法は、半導体基板の前面上の窒化ホウ素層と金属膜の裏面との間にグラフェンの単一単原子層の堆積を可能にする。いくつかの実施形態では、本発明の方法は、半導体基板の前面上の窒化ホウ素層と金属膜の裏面との間に単原子厚のグラフェンの複数の層の堆積を可能にする。グラフェン層は、2層~約100層の単原子厚のグラフェン、例えば2層~約50層の単原子厚のグラフェン、または3層~約50層の単原子厚のグラフェンを含んでもよい。グラフェンの第2の層は、前面金属膜表面に析出されてもよい。これまでの現在の結果は、特にニッケル層が多層グラフェン膜の調製に好適であることを示している。 In embodiments where the solubility of carbon in metals is low or zero (eg, copper), the methods of the present invention advantageously yield monolayers of graphene. In embodiments where graphene formation relies on solubilization of carbon into a metal film followed by separation and deposition of graphene (e.g., nickel, cobalt), the methods of the present invention control the amount of carbon absorbed and deposited to There is a need to control the number of graphene layers produced. In some embodiments, the methods of the present invention allow deposition of a single monoatomic layer of graphene between a boron nitride layer on the front surface of a semiconductor substrate and the back surface of a metal film. In some embodiments, the methods of the present invention enable deposition of multiple layers of graphene of monoatomic thickness between a boron nitride layer on the front surface of a semiconductor substrate and the back surface of a metal film. The graphene layers may include 2 to about 100 monoatomic graphene layers, such as 2 to about 50 monoatomic graphene layers, or 3 to about 50 monoatomic graphene layers. A second layer of graphene may be deposited on the front metal film surface. Current results so far indicate that nickel layers in particular are suitable for the preparation of multilayer graphene films.

グラフェン層が前面金属膜表面上に析出する実施形態によれば、グラフェンのこの外部層は、除去されてもよい。いくつかの実施形態では、外部グラフェン層は、エッチング、例えばウェットエッチング、プラズマエッチング、またはオゾン/UV光での酸化によって除去されてもよい。好ましい実施形態では、グラフェンの外部層は、酸素プラズマエッチングによって除去されてもよい。 According to embodiments in which a graphene layer is deposited on the front metal film surface, this outer layer of graphene may be removed. In some embodiments, the outer graphene layer may be removed by etching, such as wet etching, plasma etching, or oxidation with ozone/UV light. In a preferred embodiment, the outer layer of graphene may be removed by an oxygen plasma etch.

本発明の次の工程のいくつかの実施形態によれば、金属膜が除去されることによって、窒化ホウ素層と接触するグラフェン層が露出され、それにより半導体基板の前面と接触する。金属膜は、例えば、ニッケル、銅、鉄、またはそれらの合金の溶解など、金属膜の金属を溶解するのに適した当技術分野で既知の技術によって除去されてもよい。好ましい実施形態では、金属膜を水性金属エッチャントと接触させる。金属膜を除去するために有用な金属エッチャントは、塩化第二鉄、硝酸鉄(III)、王水、および硝酸を含む。有利には、これらの金属エッチャントは、グラフェンを除去しない。 According to some embodiments of the next step of the present invention, the metal film is removed to expose the graphene layer in contact with the boron nitride layer, thereby contacting the front surface of the semiconductor substrate. Metal films may be removed by techniques known in the art suitable for dissolving metals of metal films, such as, for example, dissolving nickel, copper, iron, or alloys thereof. In preferred embodiments, the metal film is contacted with an aqueous metal etchant. Metal etchants useful for removing metal films include ferric chloride, iron(III) nitrate, aqua regia, and nitric acid. Advantageously, these metal etchants do not remove graphene.

いくつかの実施形態では、金属膜を除去すると、半導体基板100(例えば、酸化シリコン層および/または窒化シリコン層を含むシリコンウエハ)、誘電体層200、窒化ホウ素の層300、単原子厚のグラフェンの単層または多層500を含む多層基板が製造される。図1Eを参照されたい。いくつかの実施形態では、グラフェンおよび窒化ホウ素層の一方または両方は、各材料の多層を含んでもよく、各層は単原子厚を有する。グラフェン層は、当技術分野で既知の技術、例えば、ラマン分光法によって、層の数を確認するために特徴付けられてもよい。 In some embodiments, removal of the metal film results in a semiconductor substrate 100 (eg, a silicon wafer including a silicon oxide layer and/or a silicon nitride layer), a dielectric layer 200, a layer of boron nitride 300, and a monoatomic thickness of graphene. A multi-layer substrate is fabricated comprising a single layer or multi-layer 500 of . See FIG. 1E. In some embodiments, one or both of the graphene and boron nitride layers may include multiple layers of each material, each layer having a single atomic thickness. The graphene layers may be characterized to ascertain the number of layers by techniques known in the art, such as Raman spectroscopy.

要約すると、本発明は、Si表面、Si系酸化物(SiO/Si)、および窒化物(Si/Si)表面上のh-BN成長速度論の基本的な理解を提供する。本開示は、Si/Si表面上の窒素がホウ素および窒素の活性種と結合して、大面積および連続膜のh-BNの吸着動力学支援成長のための核生成部位を製造する分子動力学シミュレーションによって支持される成長メカニズムの詳細を提供する。LPCVD条件下での非金属触媒表面(SiO/SiおよびSi/Si)へのh-BN合成における速度論プロセスの影響は、解決されなかった。さらに、大面積、ファンデルワールス結合、および電子的に単離されたグラフェン/h-BNヘテロ構造も設計された。興味深いことに、低温電子輸送研究は、グラフェン/h-BNヘテロ構造が、グラフェン/Si/Siの対応物と比較して、電荷キャリア移動度(3倍増強)および電子-正孔パドリング変動に関して例外的に機能することを明らかにしている。遷移金属支援hBN形成とは異なり、ここで開発された方法、すなわち、h-BNの直接的かつスケーラブルな製造の多様なプロセスは、現在の半導体産業により互換性が高い。ここで開発されたプロセスは、潜在的に、ナノスケールのエレクトロニクスからエネルギー変換およびオプトエレクトロニクスに及ぶアプリケーションを備えた2DNsを介して、インテリジェントに設計された様々な3Dヘテロ構造を含むように想定することができる。 In summary, the present invention provides a basic understanding of h-BN growth kinetics on Si, Si-based oxide (SiO 2 /Si), and nitride (Si 3 N 4 /Si) surfaces. The present disclosure shows that nitrogen on the Si 3 N 4 /Si surface combines with boron and nitrogen reactive species to produce nucleation sites for the adsorption kinetics assisted growth of h-BN in large areas and continuous films. We provide details of the growth mechanism supported by molecular dynamics simulations. The influence of kinetic processes on h-BN synthesis on non-metallic catalyst surfaces (SiO 2 /Si and Si 3 N 4 /Si) under LPCVD conditions was not resolved. In addition, large area, van der Waals bonds, and electronically isolated graphene/h-BN heterostructures were also designed. Interestingly, low-temperature electron transport studies show that the graphene/h-BN heterostructure exhibits a 3-fold enhancement in charge carrier mobility and electron-hole puddling compared to its graphene/Si 3 N 4 /Si counterpart. It has been shown to work exceptionally with respect to fluctuations. Unlike transition metal-assisted hBN formation, the method developed here, ie, a diverse process for direct and scalable production of h-BN, is more compatible with the current semiconductor industry. The processes developed here are potentially envisioned to include a variety of intelligently engineered 3D heterostructures via 2DNs with applications ranging from nanoscale electronics to energy conversion and optoelectronics. can be done.

以下の非限定的な実施例は、本発明をさらに説明するために提供される。
実施例1.
Si系窒化物(Si/Si)基板上の六方晶系窒化ホウ素(h-BN)の合成
The following non-limiting examples are provided to further illustrate the invention.
Example 1.
Synthesis of Hexagonal Boron Nitride (h-BN) on Si Nitride (Si 3 N 4 /Si) Substrates

h-BN合成は、アンモニア-ボラン(AB)22のための特別に設計された別個のチャンバを備えた低圧CVD(LPCVD)システム(MTI OTF-1200X)を介して実施した。ピラニア溶液(98%のHSOと35%のHとの3:1の容積混合物)を使用して、Si/Si基板(SunEdison Semiconductor製)を洗浄した。h-BN合成のために、Si基板を石英管の加熱ゾーンの中心に直接配置し、H雰囲気中で1100℃まで加熱して、さらなる酸化を制限した。管加熱ゾーンが1100℃に達した後、ABを約100℃で昇華し、さらに、それを供給されたHキャリアガスを介して基板を含有するチャンバに輸送した。h-BN合成を5~10トルの圧力で行い、反応時間は、15~60分で変化し、その後急速冷却(約100℃/分)した。合成されたh-BNの薄膜は、共焦点ラマン原子力顕微鏡(ラマン-AFM、レーザー波長532nmのWITECα-300RA)およびX線光電子分光法(XPS、Kratos AXIS-165)によって特徴付けた。h-BN表面粗さおよび膜厚のAFM測定のために、Si表面上のh-BNを、微細加工エッチングプロセス:電子ビーム蒸着(Varian)、UV-フォトリソグラフィー(Karl Suss MA6)、および反応性イオンエッチング(RIE、Oxford Instruments)によってパターン化した。 h-BN synthesis was carried out via a low-pressure CVD (LPCVD) system (MTI OTF-1200X) equipped with a specially designed separate chamber for ammonia-borane (AB) 22 . A piranha solution (3:1 by volume mixture of 98% H 2 SO 4 and 35% H 2 O 2 ) was used to clean Si 3 N 4 /Si substrates (from SunEdison Semiconductor). For h-BN synthesis, the Si 3 N 4 substrate was placed directly in the center of the heating zone of the quartz tube and heated to 1100° C. in H 2 atmosphere to limit further oxidation. After the tube heating zone reached 1100° C., AB was sublimed at about 100° C. and then transported to the chamber containing the substrate via supplied H 2 carrier gas. h-BN syntheses were carried out at pressures of 5-10 torr and reaction times varied from 15-60 minutes followed by rapid cooling (approximately 100° C./min). The thin films of h-BN synthesized were characterized by confocal Raman atomic force microscopy (Raman-AFM, WITEC α-300RA with laser wavelength 532 nm) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Kratos AXIS-165). For AFM measurements of h-BN surface roughness and film thickness, h-BN on Si 3 N 4 surfaces was subjected to microfabricated etching processes: e-beam evaporation (Varian), UV-photolithography (Karl Suss MA6), and patterned by reactive ion etching (RIE, Oxford Instruments).

実施例2.Cu箔上のグラフェンの化学蒸着によるグラフェン合成
カーボン供給原料としてCH(純度99.95%、Praxair)および還元ガスとしてH(99.9999%、Praxair)を使用して、(1’’x2’’)銅箔(25μm、99.98%純度)上に化学蒸着(CVD)プロセスにより高品質の単層グラフェンを成長させた。スプリットCVD炉(MTI OTF-1200X)中の標準的な1インチ石英管を反応チャンバとして使用した。典型的なグラフェン合成は以下の通りであった。まず、銅箔を多量の水、アセトン、およびIPAで(順番に)十分に洗浄した。次いで、Fe(NO:HNO(1M:3M)の溶液中に10分間浸漬することにより、Cu箔の自然酸化物を除去した。続いて、Cu箔を多量の水、アセトン、およびIPAで(順番に)連続的にすすいだ。残りのイオンをさらに除去するために、Cu箔を100mLのアセトン(ACS分光光度グレード、>99.5%、Fisher Scientific)中で超音波処理した。次いで、箔を多量の水、アセトン、およびIPAで(順番に)十分に洗浄した後、精製空気流で2分間乾燥させた。さらに、清浄な箔をCVD炉に装填し、反応チャンバを5分間で1mトルに排気した。次に、100sccmのHを導入して、システムをさらに10分間フラッシュした。Hガス流を維持しながら、炉温度を15分間で1050℃に上昇させた。1050℃で、Cu箔をさらに30分間アニールして粒径を大きくし、その表面を平滑にした。次いで、10sccmのCHを1分間チャンバに導入した(PTot=500mトル)。成長後、CHをオフにし、半炉を開くことによってチャンバを室温まで急速に冷却した。
Example 2. Graphene Synthesis by Chemical Vapor Deposition of Graphene on Cu Foil (1 ×2 '') High-quality monolayer graphene was grown by chemical vapor deposition (CVD) process on copper foil (25 μm, 99.98% purity). A standard 1 inch quartz tube in a split CVD furnace (MTI OTF-1200X) was used as the reaction chamber. A typical graphene synthesis was as follows. First, the copper foil was thoroughly washed with copious amounts of water, acetone, and IPA (in sequence). The native oxide of the Cu foil was then removed by soaking in a solution of Fe(NO 3 ) 2 :HNO 3 (1M:3M) for 10 minutes. The Cu foil was subsequently rinsed (in order) with copious amounts of water, acetone, and IPA. To further remove residual ions, the Cu foil was sonicated in 100 mL of acetone (ACS spectrophotometric grade, >99.5%, Fisher Scientific). The foil was then washed thoroughly with copious amounts of water, acetone, and IPA (in sequence) before drying with a stream of purified air for 2 minutes. Additionally, the clean foil was loaded into the CVD furnace and the reaction chamber was evacuated to 1 mTorr for 5 minutes. 100 sccm of H 2 was then introduced to flush the system for an additional 10 minutes. The furnace temperature was increased to 1050° C. for 15 minutes while maintaining the H 2 gas flow. At 1050° C., the Cu foil was annealed for an additional 30 minutes to increase the grain size and smoothen its surface. 10 sccm of CH 4 was then introduced into the chamber for 1 minute (PTot=500 mTorr). After growth, the chamber was rapidly cooled to room temperature by turning off the CH4 and opening the half-furnace.

実施例3.h-B/Si/SiおよびSiSi基板へのグラフェン転写
グラフェン転写プロセスを以下のように使用した。まず、アニソール(99%純度、Acros Organics)中の25mg/mLのポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)(MW 996,000、Sigma Aldrich)を、(i)プレスピン:500RPMで5秒間(500rpm/sのランプ速度)、および(ii)フルスピン:4000RPMで30秒間(1000rpm/sのランプ速度)でグラフェン/Cu箔上にスピンコートした。次いで、PMMAコートしたグラフェン/Cu箔を5分間風乾し、続いて1mL:3mLのHNO3(65%純度)およびDI水を用いてCu箔を1時間エッチングした。清浄な石英基板を溶液中に浸水し、エッチャント液の表面に対して60°の角度で持ち上げることにより、浮遊するPMMA/グラフェンサンプルを採取した。直ちに、それをピックアップ工程と同じ方法でDI水に移した(2回繰り返し)。同様に、その後の基板(SiNおよび直接成長させたhBN)を使用して、次いで、PMMA/グラフェンサンプルをピックアップした。これらのPMMA/グラフェン/SiN/n++-Si、およびPMMA/グラフェン/hBN/SiN/n++-Siを空気中で一晩乾燥させた。PMMAを除去するために、これらのサンプルを室温で10分間アセトンに浸漬し、続いて多量のアセトンおよびIPAで(順番に)洗浄し、2分間精製空気流で乾燥させた。
Example 3. Graphene Transfer to hB/Si 3 N 4 /Si and Si 3 N 4 Si Substrates The graphene transfer process was used as follows. First, 25 mg/mL poly(methyl methacrylate) (PMMA) (MW 996,000, Sigma Aldrich) in anisole (99% purity, Acros Organics) was (i) press-spinned at 500 RPM for 5 seconds (500 rpm/s (ramp speed of 1000 rpm/s), and (ii) full spin: spin coated onto the graphene/Cu foil at 4000 RPM for 30 seconds (1000 rpm/s ramp speed). The PMMA-coated graphene/Cu foil was then air-dried for 5 minutes, followed by etching of the Cu foil with 1 mL:3 mL HNO3 (65% purity) and DI water for 1 hour. Floating PMMA/graphene samples were collected by submerging a clean quartz substrate into the solution and lifting it at a 60° angle to the surface of the etchant solution. Immediately it was transferred to DI water in the same manner as the pick-up step (repeated twice). Similarly, subsequent substrates (SiN and directly grown hBN) were then used to pick up PMMA/graphene samples. These PMMA/graphene/SiN/n++-Si and PMMA/graphene/hBN/SiN/n++-Si were dried overnight in air. To remove PMMA, these samples were immersed in acetone for 10 minutes at room temperature, followed by copious acetone and IPA washing (in sequence), and drying with a stream of purified air for 2 minutes.

実施例4.電界効果トランジスタ(FET)デバイスの製作および電気測定
フォトリソグラフィー:異なる誘電体層(SiNおよびhBN/SiN)を有する高度n++シリコン基板に転写した後、グラフェンサンプルをCr/Au(15nm/95nm)層で堆積させた。ポジ型フォトレジスト(AZ1818)をサンプル上に4000rpmで45秒間スピンコートした。次いで、サンプルを110℃で1分間ホットプレート上でベークした。続いて、Karl Suss MA6マスクアライナーを使用して12秒間、整列したマスクを用いてUV光(365nmおよびランプパワー900W)の線量をサンプルに導入した。次いで、3:1(DI水:AZ340)の溶液中で18秒間サンプルを現像した後、保護されていないCr/Au領域をエッチングして、室温で順番にAuエッチャント(36秒)およびCrエッチャント(18秒)中に電極コンタクトを形成した。金属コンタクトを画定した後、サンプルを多量のアセトンおよびIPAで(順番に)洗浄し、2分間精製空気流で乾燥させた。
Example 4. Field Effect Transistor (FET) Device Fabrication and Electrical Measurements Photolithography: Graphene samples with Cr/Au (15 nm/95 nm) layers after transfer to advanced n++ silicon substrates with different dielectric layers (SiN and hBN/SiN). deposited. A positive photoresist (AZ1818) was spin coated onto the samples at 4000 rpm for 45 seconds. The samples were then baked on a hot plate at 110°C for 1 minute. A dose of UV light (365 nm and lamp power 900 W) was subsequently introduced to the sample with an aligned mask for 12 seconds using a Karl Suss MA6 mask aligner. The samples were then developed in a solution of 3:1 (DI water:AZ340) for 18 seconds before etching the unprotected Cr/Au areas with Au etchant (36 seconds) and Cr etchant (36 seconds) in sequence at room temperature. 18 seconds) to form electrode contacts. After defining the metal contacts, the samples were washed with copious amounts of acetone and IPA (in sequence) and dried with a stream of purified air for 2 minutes.

チャネル長が27μm、チャネル幅が7μmのバー構造は、前の工程を繰り返して別のポジ型フォトレジストの層を製作した。グラフェンバーの保護パターンを形成するために現像した後、これらのサンプルをOxford RIEチャンバ内に配置し、酸素プラズマ(10W出力、20秒露光、535~550Vのピークトゥピーク電圧、および260Vのバイアス電圧)を介して非保護グラフェンを除去した。続いて、サンプルをAZ351溶液の第1の浴に5分間浸漬し、AZ351溶液の第2の浴にさらに3分間浸漬して、フォトレジスト残渣をさらに除去し、IPA溶液に5分間浸漬することにより、被覆フォトレジストを除去した。最後に、サンプルを多量のアセトンおよびIPAで(順番に)洗浄し、2分間精製空気流で乾燥させた。 A bar structure with a channel length of 27 μm and a channel width of 7 μm was fabricated with another layer of positive photoresist by repeating the previous steps. After developing to form a protective pattern of graphene bars, these samples were placed in an Oxford RIE chamber and exposed to an oxygen plasma (10 W power, 20 sec exposure, 535-550 V peak-to-peak voltage, and 260 V bias voltage). ) to remove the unprotected graphene. Subsequently, the sample was immersed in a first bath of AZ351 solution for 5 minutes, immersed in a second bath of AZ351 solution for an additional 3 minutes to further remove photoresist residue, and immersed in an IPA solution for 5 minutes. , stripped the overlying photoresist. Finally, the samples were washed with copious amounts of acetone and IPA (in sequence) and dried with a stream of purified air for 2 minutes.

デバイス前処理および電気測定:電気測定の前に、サンプルを分割炉内の清浄な1インチ石英管に配置した。チャンバを5分間で1mトルに排気した。さらに、20sccmのHを導入して、システムをさらに10分間フラッシュした。H流を200mトルで維持しながら、炉温度を15分間で150℃に上昇させた。150℃で、フォトレジスト残渣を、ガス(H)を2時間還元することによってさらに除去した。室温まで冷却した後、サンプルを電気測定のためにJanis Cryostatシステムの内部に直ちに配置した。 Device Pretreatment and Electrical Measurements: Samples were placed in clean 1 inch quartz tubes in a split furnace prior to electrical measurements. The chamber was evacuated to 1 mTorr for 5 minutes. A further 20 sccm of H 2 was introduced to flush the system for an additional 10 minutes. The furnace temperature was increased to 150° C. for 15 minutes while maintaining the H 2 flow at 200 mTorr. At 150° C., the photoresist residue was further removed by reducing gas (H 2 ) for 2 hours. After cooling to room temperature, the samples were immediately placed inside the Janis Cryostat system for electrical measurements.

この記述された説明は、最良の形態を含む本発明を開示するための例であって、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、組み込まれた方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にするための例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの記載と異ならない構造的要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文字通りの記載との間の差異が実質的な差異ではない均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内であるということが意図される。 This written description is an example to disclose the invention, including the best mode, including making and using any device or system, and implementing the methods incorporated therein, to enable a person skilled in the art to An example is used to make it possible to implement the invention. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other examples are those having structural elements that do not differ from the literal description of the claims, or equivalents where the differences from the literal description of the claims are not material differences. If it does include a structural element, it is intended to be within the scope of the claim.

Claims (12)

平行な2つの主面であって、一方は単結晶半導体ウエハの前面であり、他方は単結晶半導体ウエハの裏面である主面、単結晶半導体ウエハの前面と裏面を接合する周縁部、単結晶半導体ウエハの前面と裏面の間の中心面、および単結晶半導体ウエハの前面と裏面の間のバルク領域、を含む単結晶半導体ウエハ、
単結晶半導体ウエハの前面に界面接触する窒化シリコン層、
窒化シリコンを含む層と界面接触する六方晶窒化ホウ素を含む層、および、
六方晶窒化ホウ素を含む層と界面接触するグラフェンを含む層であって、グラフェンを含む層は、比I2D/Iが少なくとも3であり、IはGバンドの半値全幅、I2Dは2Dバンド位置の半値全幅であり、2DバンドとGバンドの強度の比(I2D/I)は共焦点ラマン分光法により決定されるグラフェンを含む層、を含む多層構造体。
Two parallel main surfaces, one of which is the front surface of the single crystal semiconductor wafer and the other is the rear surface of the single crystal semiconductor wafer, a peripheral portion that joins the front surface and the rear surface of the single crystal semiconductor wafer, and a single crystal A single crystal semiconductor wafer comprising a central plane between the front and back sides of the semiconductor wafer and a bulk region between the front and back sides of the single crystal semiconductor wafer;
a silicon nitride layer in interfacial contact with the front surface of a single crystal semiconductor wafer;
a layer comprising hexagonal boron nitride in interfacial contact with the layer comprising silicon nitride; and
A layer comprising graphene in interfacial contact with a layer comprising hexagonal boron nitride, wherein the layer comprising graphene has a ratio I2D / IG of at least 3, where IG is the full width at half maximum of the G band and I2D is 2D. A multilayer structure comprising a layer comprising graphene, wherein the ratio of the intensity of the 2D band to the G band (I 2D /I G ) is determined by confocal Raman spectroscopy.
単結晶半導体ウエハは、シリコン、炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、インジウムガリウムヒ素、ゲルマニウム、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、請求項1に記載の多層構造体。 2. The method of claim 1, wherein the single crystal semiconductor wafer comprises a material selected from the group consisting of silicon, silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide, indium gallium arsenide, germanium, and combinations thereof. A multilayer structure as described. 単結晶半導体ウエハは、シリコンを含む、請求項1に記載の多層構造体。 2. The multilayer structure of claim 1, wherein the single crystal semiconductor wafer comprises silicon. 窒化シリコン層は、中性に帯電している、請求項1に記載の多層構造体。 2. The multilayer structure of claim 1, wherein the silicon nitride layer is neutrally charged. 六方晶窒化ホウ素は、B:Nのモル比が1.3:1と1:1.3との間である、請求項1に記載の多層構造体。 2. The multilayer structure of claim 1, wherein the hexagonal boron nitride has a B:N molar ratio between 1.3:1 and 1:1.3. 六方晶窒化ホウ素は、1:1.11±0.09の窒素とホウ素の原子濃度比を有する、請求項1に記載の多層膜構造体。 2. The multilayer structure of claim 1, wherein the hexagonal boron nitride has an atomic concentration ratio of nitrogen to boron of 1:1.11±0.09. グラフェンを含む層は、500cm-1-1から1300cm-1-1の電界効果移動度を有する、請求項1に記載の多層構造体。 2. The multilayer structure of claim 1, wherein the layer comprising graphene has a field effect mobility of 500 cm 2 V −1 s −1 to 1300 cm 2 V −1 s −1 . グラフェンを含む層は、少なくとも1200cm/Vsの固有電荷キャリア移動度を有する、請求項1に記載の多層構造体。 2. The multilayer structure of claim 1, wherein the layer comprising graphene has an intrinsic charge carrier mobility of at least 1200 cm <2> /Vs. グラフェンを含む層と界面接触する金属膜をさらに含む、請求項1に記載の多層構造体。 3. The multilayer structure of claim 1, further comprising a metal film in interfacial contact with the layer comprising graphene. 金属膜は、ニッケル、銅、鉄、白金、パラジウム、ルテニウム、アルミニウム、コバルト、およびそれらの合金からなる群より選択される金属を含む、請求項9に記載の多層構造体。 10. The multilayer structure of Claim 9, wherein the metal film comprises a metal selected from the group consisting of nickel, copper, iron, platinum, palladium, ruthenium, aluminum, cobalt, and alloys thereof. 金属膜は、ニッケル、コバルト、またはニッケルとコバルトを含む、請求項9に記載の多層構造体。 10. The multilayer structure of claim 9, wherein the metal film comprises nickel, cobalt, or nickel and cobalt. 金属膜は、銅を含む、請求項9に記載の多層構造体。 10. The multilayer structure of Claim 9, wherein the metal film comprises copper.
JP2022066022A 2016-05-12 2022-04-13 Direct formation of hexagonal boron nitride on silicon-based dielectrics Active JP7283707B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662335149P 2016-05-12 2016-05-12
US62/335,149 2016-05-12
JP2020163797A JP7066127B2 (en) 2016-05-12 2020-09-29 Direct formation of hexagonal boron nitride on a silicon-based dielectric

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020163797A Division JP7066127B2 (en) 2016-05-12 2020-09-29 Direct formation of hexagonal boron nitride on a silicon-based dielectric

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022121422A JP2022121422A (en) 2022-08-19
JP7283707B2 true JP7283707B2 (en) 2023-05-30

Family

ID=58692666

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018555266A Active JP6775804B2 (en) 2016-05-12 2017-04-28 Direct formation of hexagonal boron nitride on a silicon-based dielectric
JP2020163797A Active JP7066127B2 (en) 2016-05-12 2020-09-29 Direct formation of hexagonal boron nitride on a silicon-based dielectric
JP2022066022A Active JP7283707B2 (en) 2016-05-12 2022-04-13 Direct formation of hexagonal boron nitride on silicon-based dielectrics

Family Applications Before (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018555266A Active JP6775804B2 (en) 2016-05-12 2017-04-28 Direct formation of hexagonal boron nitride on a silicon-based dielectric
JP2020163797A Active JP7066127B2 (en) 2016-05-12 2020-09-29 Direct formation of hexagonal boron nitride on a silicon-based dielectric

Country Status (7)

Country Link
US (3) US10658472B2 (en)
EP (3) EP4131339A3 (en)
JP (3) JP6775804B2 (en)
KR (3) KR102163616B1 (en)
CN (1) CN109791876B (en)
ES (1) ES2940083T3 (en)
WO (1) WO2017196559A1 (en)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107994078B (en) * 2017-12-14 2020-08-11 北京华碳科技有限责任公司 Field effect transistor with source control electrode, manufacturing method and electronic device
US10490673B2 (en) 2018-03-02 2019-11-26 Texas Instruments Incorporated Integration of graphene and boron nitride hetero-structure device
US11332369B2 (en) 2018-03-22 2022-05-17 BNNano, Inc. Compositions and aggregates comprising boron nitride nanotube structures, and methods of making
CN109180026A (en) * 2018-07-26 2019-01-11 吉林大学 The method for preparing sapphire fiber covering using chemical vapor deposition method
US11339499B2 (en) * 2018-10-08 2022-05-24 Korea Institute Of Science And Technology Method for epitaxial growth of single crystalline heterogeneous 2D materials and stacked structure
JP7253943B2 (en) * 2019-03-15 2023-04-07 東京エレクトロン株式会社 Method and Apparatus for Forming Hexagonal Boron Nitride Film
US11158807B2 (en) * 2019-10-18 2021-10-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Field effect transistor and method of manufacturing the same
CN113023718B (en) * 2019-12-24 2022-11-01 北京大学 Method for preparing high-quality suspended two-dimensional material support film through clean transfer
CN111243942A (en) * 2020-01-19 2020-06-05 吉林大学 Method for improving crystallization quality of hexagonal boron nitride by using transition metal or alloy as buffer layer
US11075273B1 (en) 2020-03-04 2021-07-27 International Business Machines Corporation Nanosheet electrostatic discharge structure
KR102314020B1 (en) * 2020-05-06 2021-10-15 아주대학교산학협력단 METHOD OF MAUFACTURING OF HEXAGONAL BORON NITRIDE (h-BN)/GRAPHENE IN-PLANE HETEROSTRUCTURE
US11545565B2 (en) * 2020-10-21 2023-01-03 IceMos Technology Limited Semiconductor device and method of forming low voltage power MOSFETs using graphene for metal layers and graphene nanoribbons for channel and drain enhancement regions of power vertical and lateral MOSFETs
JP2022074642A (en) 2020-11-05 2022-05-18 富士通株式会社 Optical sensor and manufacturing method thereof
CN112582542B (en) * 2020-12-06 2022-09-30 南开大学 Monomolecular field effect transistor based on two-dimensional van der Waals heterostructure and preparation method thereof
US11830729B2 (en) * 2021-01-08 2023-11-28 Applied Materials, Inc. Low-k boron carbonitride films
CN113136641B (en) * 2021-03-15 2022-05-31 杭州电子科技大学 Preparation method of nitrogen and boron doped amorphous carbon hollow fiber membrane
WO2023043699A1 (en) * 2021-09-17 2023-03-23 Applied Materials, Inc. Hexagonal boron nitride deposition
WO2023183987A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 Archer Materials Limited FABRICATION AND PROCESSING OF GRAPHENE ELECTRONIC DEVICES ON SILICON WITH A SiO2 PASSIVATION LAYER

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002016064A (en) 2000-06-28 2002-01-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Low-permittivity hexagonal boron nitride film, interlayer dielectric and its manufacturing method
JP2002510274A (en) 1997-07-02 2002-04-02 ソシエテ・ナシオナル・デテユード・エ・ドウ・コンストリユクシオン・ドウ・モトール・ダヴイアシオン、“エス.エヌ.ウ.セ.エム.アー.” Preparation of mesophase polyborazylene, use of mesophase polyborazylene and BN precursor
JP2007329354A (en) 2006-06-08 2007-12-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor lamination, and manufacturing method thereof
JP2009298626A (en) 2008-06-11 2009-12-24 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Hexagonal boron nitride structure and its manufacturing method
WO2014182540A1 (en) 2013-05-09 2014-11-13 Sunedison Semiconductor Pte. Ltd. Direct and sequential formation of monolayers of boron nitride and graphene on substrates

Family Cites Families (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5547379A (en) * 1978-10-02 1980-04-03 Takehiko Takahashi Manufacture of boron nitride coated film by chemical vapor deposition
JPS61174621A (en) * 1985-01-28 1986-08-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Manufacture of semiconductor thin crystal
JPS61177372A (en) 1985-01-31 1986-08-09 Kyocera Corp Production of boron nitride film
JPS63145779A (en) 1986-12-08 1988-06-17 Katsumitsu Nakamura Method for controlling stress of hexagonal boron nitride film
JP2747044B2 (en) * 1989-07-25 1998-05-06 昭和電工株式会社 Method for producing cubic boron nitride semiconductor having pn junction
JPH03223463A (en) * 1990-01-26 1991-10-02 Olympus Optical Co Ltd Synthetic method for cubic boron nitride
KR100448714B1 (en) 2002-04-24 2004-09-13 삼성전자주식회사 Insulating layer in Semiconductor Device with Multi-nanolaminate Structure of SiNx and BN and Method for Forming the Same
KR100923304B1 (en) 2007-10-29 2009-10-23 삼성전자주식회사 Graphene sheet and process for preparing the same
KR101344493B1 (en) 2007-12-17 2013-12-24 삼성전자주식회사 Single crystalline graphene sheet and process for preparing the same
AR075976A1 (en) 2009-03-30 2011-05-11 Sumitomo Metal Ind METHOD FOR THE MANUFACTURE OF PIPE WITHOUT SEWING
WO2010146657A1 (en) 2009-06-16 2010-12-23 富士通株式会社 Graphite structure, electronic component, and method for manufacturing electronic component
KR101622304B1 (en) 2009-08-05 2016-05-19 삼성전자주식회사 Substrate comprising graphene and process for preparing the same
US8158200B2 (en) 2009-08-18 2012-04-17 University Of North Texas Methods of forming graphene/(multilayer) boron nitride for electronic device applications
US8187955B2 (en) 2009-08-24 2012-05-29 International Business Machines Corporation Graphene growth on a carbon-containing semiconductor layer
KR101736462B1 (en) 2009-09-21 2017-05-16 한화테크윈 주식회사 Method for manufacturing graphene
US8808810B2 (en) 2009-12-15 2014-08-19 Guardian Industries Corp. Large area deposition of graphene on substrates, and products including the same
US9096437B2 (en) 2010-03-08 2015-08-04 William Marsh Rice University Growth of graphene films from non-gaseous carbon sources
CN101817684B (en) * 2010-03-25 2012-08-15 西安交通大学 Method for coating h-BN coating on surface of porous Si3N4 substrate
US20110233513A1 (en) * 2010-03-29 2011-09-29 International Business Machines Corporation Enhanced bonding interfaces on carbon-based materials for nanoelectronic devices
US8592291B2 (en) * 2010-04-07 2013-11-26 Massachusetts Institute Of Technology Fabrication of large-area hexagonal boron nitride thin films
KR101172625B1 (en) * 2011-01-21 2012-08-08 한국과학기술원 Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same
CN102064189A (en) 2010-12-06 2011-05-18 苏州纳维科技有限公司 Metal-semiconductor electrode structure and preparation method thereof
US9257509B2 (en) * 2010-12-21 2016-02-09 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Electrical devices with graphene on boron nitride
GB201104824D0 (en) * 2011-03-22 2011-05-04 Univ Manchester Structures and methods relating to graphene
CN103493203B (en) * 2011-03-22 2016-12-28 曼彻斯特大学 Transistor device and for manufacturing the material of transistor device
US20140120270A1 (en) * 2011-04-25 2014-05-01 James M. Tour Direct growth of graphene films on non-catalyst surfaces
KR101878732B1 (en) 2011-06-24 2018-07-16 삼성전자주식회사 Graphene substrate, and transparent electrode and transistor comprising the same
US9029228B2 (en) 2011-10-19 2015-05-12 SunEdision Semiconductor Limited (UEN201334164H) Direct and sequential formation of monolayers of boron nitride and graphene on substrates
KR20130043063A (en) 2011-10-19 2013-04-29 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Semiconductor device and manufacturing method thereof
US8884310B2 (en) 2011-10-19 2014-11-11 Sunedison Semiconductor Limited (Uen201334164H) Direct formation of graphene on semiconductor substrates
US9059219B2 (en) 2012-06-27 2015-06-16 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
JP6417674B2 (en) 2013-03-07 2018-11-07 株式会社リコー Thermal recording material
US9029226B2 (en) 2013-03-13 2015-05-12 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Mechanisms for doping lightly-doped-drain (LDD) regions of finFET devices
KR20140114199A (en) * 2013-03-18 2014-09-26 삼성전자주식회사 Heterogeneous layered structure, method for preparing the heterogeneous layered structure, and electric device including the heterogeneous layered structure
KR102100925B1 (en) 2013-03-22 2020-04-14 삼성전자주식회사 Substrate assembly, method of forming the substrate assembly, and electronic device comprising the same
KR102144999B1 (en) * 2013-11-05 2020-08-14 삼성전자주식회사 Two-dimensional material, method of forming the same and device including two-dimensional material
JP5687328B2 (en) * 2013-12-11 2015-03-18 株式会社日立国際電気 Semiconductor device manufacturing method, substrate processing apparatus, and program
WO2016053414A2 (en) * 2014-06-23 2016-04-07 Rensselaer Polytechnic Institute Radiation-detecting structures and fabrication methods thereof
KR102237826B1 (en) * 2014-07-18 2021-04-08 삼성전자주식회사 Graphene device, methods of manufacturing and operating the same, and electronic apparatus including graphene device
JP6241398B2 (en) * 2014-09-11 2017-12-06 株式会社デンソー Method for producing graphene laminate
US9972740B2 (en) * 2015-06-07 2018-05-15 Tesla, Inc. Chemical vapor deposition tool and process for fabrication of photovoltaic structures

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002510274A (en) 1997-07-02 2002-04-02 ソシエテ・ナシオナル・デテユード・エ・ドウ・コンストリユクシオン・ドウ・モトール・ダヴイアシオン、“エス.エヌ.ウ.セ.エム.アー.” Preparation of mesophase polyborazylene, use of mesophase polyborazylene and BN precursor
JP2002016064A (en) 2000-06-28 2002-01-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Low-permittivity hexagonal boron nitride film, interlayer dielectric and its manufacturing method
JP2007329354A (en) 2006-06-08 2007-12-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor lamination, and manufacturing method thereof
JP2009298626A (en) 2008-06-11 2009-12-24 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Hexagonal boron nitride structure and its manufacturing method
WO2014182540A1 (en) 2013-05-09 2014-11-13 Sunedison Semiconductor Pte. Ltd. Direct and sequential formation of monolayers of boron nitride and graphene on substrates

Also Published As

Publication number Publication date
US20200152745A1 (en) 2020-05-14
US11276759B2 (en) 2022-03-15
KR102163616B1 (en) 2020-10-13
JP2022121422A (en) 2022-08-19
US11289577B2 (en) 2022-03-29
EP3455874B1 (en) 2022-12-28
EP4131338A2 (en) 2023-02-08
KR20200117048A (en) 2020-10-13
EP4131339A2 (en) 2023-02-08
EP4131339A3 (en) 2023-02-15
KR20210130831A (en) 2021-11-01
KR102317740B1 (en) 2021-10-28
JP7066127B2 (en) 2022-05-13
KR20190007425A (en) 2019-01-22
WO2017196559A1 (en) 2017-11-16
CN109791876A (en) 2019-05-21
KR102419924B1 (en) 2022-07-11
US20190097000A1 (en) 2019-03-28
CN109791876B (en) 2023-08-15
EP3455874A1 (en) 2019-03-20
JP2021020848A (en) 2021-02-18
US20200152744A1 (en) 2020-05-14
US10658472B2 (en) 2020-05-19
ES2940083T3 (en) 2023-05-03
EP4131338A3 (en) 2023-02-15
JP6775804B2 (en) 2020-10-28
JP2019522348A (en) 2019-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7283707B2 (en) Direct formation of hexagonal boron nitride on silicon-based dielectrics
JP6567208B2 (en) Direct and continuous formation of boron nitride and graphene on substrates
Khan et al. Direct CVD growth of graphene on technologically important dielectric and semiconducting substrates
US9355842B2 (en) Direct and sequential formation of monolayers of boron nitride and graphene on substrates
Tang et al. Graphene-analogous low-dimensional materials
Wei et al. Synthesis of molybdenum disulfide nanowire arrays using a block copolymer template
Wang et al. Wafer-scale growth of pristine and doped monolayer MoS2 films for electronic device applications
Pizzocchero et al. Chemical vapor-deposited graphene on ultraflat copper foils for van der Waals hetero-assembly
Saraswat Atom-thick Carbon Nanomaterials for Chemical Separation and Electronic Applications
Bhandari Synthesis and Applications of One and Two-Dimensional Boron Nitride Based Nanomaterials
김민식 Electrical Properties of Single and Multiple Layer Graphene: Carrier Concentration vs. Mobility
조인수 Optimizing the Electrical Properties of CVD Graphene by Substrate and Doping Control

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220509

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220509

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230411

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230509

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7283707

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150